För första gången har forskare vid IBM Research lyckats demonstrera ett komplext kvantmekaniskt fenomen – känt under namnet “Bose-Einstein condensation” (BEC) – vid rumstemperatur. Upptäckten kan få praktisk tillämpning i utvecklingen av nya optoelektroniska komponenter.

IBM:s forskare Lijian Mai håller upp den tunna, icke-kristallina polymerfilm som placeras mellan två speglar och därpå exciteras med laserljus.
Foto: IBM Research

BEC är ett märkligt tillstånd som uppstår när en utspädd gas av partiklar (bosoner) kyls ner till nära den absoluta nollpunkten (-273 °C). Vid denna temperatur uppstår spännande makroskopiska kvantfenomen där bosonerna radar upp sig likt dansande par. Detta komplexa fenomen är uppkallat efter de välkända forskarna Satyendranath Bose och Albert Einstein, som först förutspådde fenomenet i mitten av 1920-talet.

År 1995 kunde fenomenet visas upp för första gången, men då vid extrema temperaturförhållanden. Men nu har IBM forskarna uppnått samma tillstånd vid rumstemperatur med hjälp av en tunn icke-kristallin polymerfilm som utvecklats av kemister vid University of Wuppertal i Tyskland, , enligt en artikel i tidskriften Nature Materials.

Forskarna har använt en slags luminiscerande polymer som liknar det material som används i ljusemitterande displayer, och upptäckten kan komma att få praktisk tillämpning inom utvecklingen av nya optoelektroniska enheter, såsom energieffektiva lasrar och ultrasnabba optiska switchar, vilka kan bli kritiska komponenter i utvecklingen av framtida datorsystem och vid hanteringen av enormt stora datamängder.

I IBM:s experiment placeras ett tunt polymerskikt mellan två speglar och exciteras med laserljus. Plastfilmen är cirka 35 nanometer tjock, vilket kan jämföras med ett pappersark som är cirka 100.000 nanometer tjockt, och bosonic-partiklarna skapas genom interaktionen mellan polymermaterialet och ljus som studsar fram och tillbaka mellan de två speglarna. Fenomenet varar bara i några pikosekunder men forskarna tror att redan det är tillräckligt lång tid för att använda bosoner till att skapa en källa till laserliknande ljus och/eller en optisk switch för framtida optiska internanslutningar. Dessa komponenter blir viktiga byggstenar för att styra informationsflödet i form av ettor och nollor mellan framtida chips och kan, enligt IBM, avsevärt accelerera deras prestanda samtidigt som energiförbrukningen blir mycket mindre.

– Att BEC skulle kunna skapas med hjälp av en polymerfilm i stället för med de vanliga, ultrarena kristallerna överträffade våra förväntningar, säger Dr Thilo Stoferle, fysiker vid IBM Research i ett pressmeddelande. Det här är verkligen ett vackert exempel på kvantmekanik där man direkt kan se kvantvärlden i makroskopisk skala.

Nästa steg för forskarna blir att studera och styra de extraordinära egenskaperna hos Bose-Einstein kondensat och utvärdera möjliga tillämpningar, inklusive analoga kvantsimuleringar. Sådana simuleringar kan användas för att modellera mycket komplicerade vetenskapliga fenomen såsom supraledning, vilket är svårt med dagens beräkningsmetoder.

IBM-forskare runt om i världen jobbar idag med ett ambitiöst datacentrerat ”exascale computing program” som syftar till att utveckla system som kan bearbeta stora datamängder femtio gånger snabbare än i dag. Ett sådant datorsystem kommer att behöva optiska internförbindelser för att med höga hastigheter kunna bearbeta datamängder i storleksordningen petabytes till exabytes. Detta ska möjliggöra högpresterande analyser för: elnät, livsvetenskaperna, finansiella modelleringar, omvärldsanalyser och väder- och klimatprognoser.

Forskningen kring Bose-Einstein-kondensering har finansierats inom ramen för EU:s FP7-projekt ICARUS . Målet med ICARUS är att skapa och karakterisera nya hybrid- halvledarsystem och sedan implementera dem i fotoniska och optoelektroniska enheter. Mer information finns på www.icarus.group.shef.ac.uk

Forskningen genomfördes i Binnig och Rohrer Nanotechnology Center vid IBM Research i Zürich.

Den vetenskaplig artikeln med titeln "Room-temperature Bose-Einstein condensation of cavity exciton-polaritons in a polymer " av Johannes D. Plumhof  Thilo Stoferl , Lijian Mai, Ullrich Scherf och Rainer F. Mahrt finns publicerad i i Nature Materials , DOI: 10.1038/NMAT3825.

Filed under: Utländsk Teknik