Nieuw deeltje kan quantumcondensatie bij kamertemperatuur mogelijk maken
Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF, Philips Research en de Autonome Universiteit van Madrid hebben een nieuw soort deeltje ontdekt dat quantumcondensatie bij kamertemperatuur mogelijk kan maken. De deeltjes zijn een hybride tussen licht- en materiedeeltjes. De zogeheten plasmon-exciton-polaritonen (PEPs) zijn nuttig voor fundamenteel onderzoek naar quantummechanica en vinden daarnaast hun toepassing in lasers en ledverlichting. De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 18 oktober in Physical Review Letters.
Tijdens quantumcondensatie (ook bekend als Bose-Einstein condensatie) smelten microscopisch kleine deeltjes met verschillende energieniveaus samen tot één enkele macroscopische toestand. In zo'n toestand zijn individuele deeltjes niet meer te onderscheiden, zodat de materie als een 'superdeeltje' kan worden gezien.
Al in de jaren twintig van de vorige eeuw voorspelden Bose en Einstein dat deeltjes bij erg lage temperaturen een condensaat zullen vormen. Pas in de jaren negentig werd het bestaan van een Bose-Einstein condensaat experimenteel bevestigd, door gasatomen te koelen tot nét boven het absolute nulpunt (-273°C). De precieze condensatietemperatuur is afhankelijk van de massa van de deeltjes: hoe zwaarder de deeltjes, hoe lager de temperatuur moet zijn voordat condensatie optreedt. Wetenschappers zoeken daarom al lange tijd naar extreem lichte deeltjes die kunnen condenseren bij kamertemperatuur.
PEPs
De onderzoekers hebben nu een nieuw soort deeltje gemaakt dat een mogelijke kandidaat is voor quantumcondensatie bij kamertemperatuur: de extreem lichte plasmon-exciton-polariton (PEP). Dit deeltje is een hybride tussen licht- en materiedeeltjes. Het bestaat uit fotonen (lichtdeeltjes), plasmonen (deeltjes die uit elektronen bestaan die in metalen nanodeeltjes trillen) en excitonen (geladen deeltjes in organische moleculen).
De onderzoekers maakten de PEPs door een structuur van metalen nanodeeltjes te bekleden met lichtuitzendende moleculen. Dit systeem genereert PEPs wanneer het met energie (licht) wordt geladen. Door de fotonen, plasmonen en excitonen op een bijzondere manier te koppelen, hebben de onderzoekers PEPs gecreëerd met een massa die een biljoen keer kleiner is dan de massa van atomen.
Omdat ze zo licht zijn, zijn PEPs goede kandidaten voor quantumcondensatie bij kamertemperatuur. PEPs hebben echter geen lange levensduur, dankzij absorptie in het metaal. Daardoor is het een grote uitdaging ze lang genoeg in stand te houden om te condenseren.
Eerste stappen
De wetenschappers zetten in hun onderzoek de eerste stappen richting quantumcondensatie van PEPs. Ze laten zien dat PEPs afkoelen terwijl de dichtheid toeneemt. In het gebruikte systeem beperken de eigenschappen van de gebruikte organische moleculen echter de mate van afkoeling. De PEP-dichtheid verzadigt voordat condensatie kan optreden. De onderzoekers denken dat ze dit probleem in te toekomst kunnen oplossen.
Toepassingen
PEPs bestaan voor een groot deel uit fotonen. Daarom zal hun verval gepaard gaan met het uitzenden van licht. Dat licht heeft unieke eigenschappen, wat het geschikt maakt als basis voor nieuwe optische apparaten. AMOLF en Philips Research hebben recente verbeteringen aan witte leds gedaan met vergelijkbare systemen. Daarom opperen de onderzoekers dat het licht van Bose-Einstein condensaten misschien in te toekomst onze woonkamers zal verlichten.
Contact
Said R.K. Rodriguez, +40 (0)274 30 51.
Jaime Gómez Rivas, +40 (0)274 23 49.
Referentie
S.R.K. Rodriguez, J. Feist, M.A. Verschuuren, F.J. Garcia Vidal, en J. Gómez Rivas, Thermalization and cooling of plasmon-exciton-polaritons: Towards quantum condensation, Phys. Rev. Lett. (2013).