Natuurkundigen vinden 'instelbare' kwantumtoestand in atoomdun materiaal

Een Bose-Einstein-condensaat is een bijzondere staat van materie waarin een grote groep deeltjes zich als één geheel gedraagt. De deeltjes verliezen hun individuele identiteit en vormen samen een soort collectieve golf. Wetenschappers noemen dit weleens de vijfde staat van materie, naast vast, vloeibaar, gas en plasma. Al meer dan zestig jaar proberen natuurkundigen zo'n condensaat te maken met excitonen: gekoppelde paren van een elektron en een 'gat' (de lege plek die een elektron achterlaat). Dat is lastig, omdat excitonen die met licht worden opgewekt doorgaans binnen een miljardste seconde weer uiteenvallen.

Het team onder leiding van senior wetenschapper Feng Wang omzeilde dit probleem met een slim gebouwd apparaat van twee van der Waals-materialen: moleen-diselenide (MoSe2) bovenin en wolfraamdiselenide (WSe2) onderin. Een tussenlaag van hexagonaal boornitride, slechts enkele atomen dik, houdt de twee lagen net ver genoeg uit elkaar om stabiele excitonen te laten ontstaan die niet meteen weer vervallen. Daardoor konden de onderzoekers de excitonen bestuderen in hun rustige grondtoestand, in plaats van in de kortstondige aangeslagen toestand.

Twee smaken in één condensaat

Met metingen bij temperaturen vlakbij het absolute nulpunt zag het team dat de excitonen zich inderdaad collectief gedroegen, zoals bij een Bose-Einstein-condensaat hoort. Opvallend was dat dit gedrag zichtbaar bleef tot 2 kelvin, ofwel min 271 graden Celsius. Dat klinkt extreem koud, maar is nog altijd miljoenen keren warmer dan de temperaturen die nodig zijn om een condensaat te maken van ultrakoude atoomgassen, de gangbare methode tot nu toe.

De grootste verrassing zat in de interne structuur van het condensaat. In dunne halfgeleiders dragen elektronen en gaten niet alleen lading, maar ook een kwantumeigenschap die 'valley' heet en samenhangt met hun bewegingsrichting in het kristal. Wang en zijn collega's ontdekten dat het condensaat niet uit één smaak bestaat, maar uit twee componenten met elk een eigen valley-structuur. Met een magneetveld kunnen ze schakelen tussen deze verschillende condensaatfasen. Excitonen blijken dus geen kortstondig verschijnsel te zijn, maar kunnen een stabiele kwantumvloeistof vormen die elektrisch en magnetisch is te sturen.

Op weg naar nieuwe kwantumtechnologie

Deze ontdekking, gepubliceerd in het vakblad Nature, biedt volgens de onderzoekers een nieuw platform om kwantumvloeistoffen in vaste stoffen te bestuderen. Dat kan uiteindelijk bijdragen aan de ontwikkeling van volgende generatie telecommunicatie en kwantumcomputing, evenals aan apparaten die specifiek gebruikmaken van excitonen. Doordat het effect optreedt bij relatief 'warme' temperaturen, hoeft toekomstige apparatuur mogelijk minder extreme koeling te gebruiken dan huidige kwantumsystemen.