Основная идея квантовой механики состоит в том, что в микроскопическом масштабе все, включая материю и свет, обладает волновыми свойствами. Обычно характер волн незаметен, так как волны очень маленькие, и все волны не синхронизированы друг с другом, так что их эффекты не важны.
По этой причине, чтобы наблюдать квантово-механическое поведение, эксперименты обычно должны проводиться при очень низкой температуре и на микроскопических масштабах длины.С другой стороны, сверхпроводники оказывают драматическое влияние на исчезновение сопротивления, изменяя все свойства материала. Ключевой квантовый эффект, который происходит, заключается в том, что квантовые волны становятся сильно синхронизированными и возникают на макроскопическом уровне. Теперь понимают, что это тот же основной эффект, что и в лазерах.
Сходство в том, что в лазере все фотоны, составляющие свет, синхронизированы и появляются как одна когерентная волна. В сверхпроводнике макроскопическая волна предназначена для квантовых волн электронов, а не фотонов, но основная квантовая особенность остается той же. Такие макроскопические квантовые волны также наблюдались в конденсатах Бозе-Эйнштейна, где все атомы, охлажденные до нанокельвиновых температур, схлопываются в одно состояние.До сих пор эти взаимосвязанные, но различные явления наблюдались только по отдельности.
Однако, поскольку сверхпроводники, лазеры и конденсаты Бозе-Эйнштейна имеют одну общую черту, ожидалось, что она сможет видеть эти особенности одновременно. Недавний эксперимент в рамках глобальных совместных усилий с командами из Японии, США и Германии впервые обнаружил экспериментальное свидетельство того, что это ожидание верно.
Они решили эту проблему с помощью высоко возбуждающих экситон-поляритонов, которые представляют собой частицы-подобные возбуждения в полупроводниковых системах, образованные сильной связью между электронно-дырочными парами и фотонами. Они наблюдали высокоэнергетическое излучение с боковым пиком, которое не может быть объяснено двумя механизмами, известными на сегодняшний день: бозе-эйнштейновской конденсацией экситон-поляритонов и обычной полупроводниковой генерацией, обусловленной оптическим усилением от несвязанной электронно-дырочной плазмы.Объединив экспериментальные данные со своей последней теорией, они обнаружили возможность того, что пик происходит от сильно связанных пар e-h, которые могут сохраняться в присутствии высококачественного оптического резонатора даже в состоянии генерации. Этот сценарий считался невозможным, поскольку пара e-h, испытывающая ослабленную силу связи из-за других электронов и / или дырок, распадается с высокой плотностью.
Предлагаемый сценарий тесно связан с физикой BCS, которая была первоначально введена Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Робертом Шриффером для объяснения происхождения сверхпроводимости. В теории БКШ сверхпроводимость — это эффект, вызванный конденсацией слабосвязанных электронных пар (куперовских пар). В последней теории пар e-h плюс фотоны (e-h-p) выживание связанных e-h пар может быть описано в теории BCS для системы e-h-p как аналогия куперовских пар в сверхпроводимости.
«Хотя полное понимание этого наблюдения еще не достигнуто», — сказал доктор Томоюки Хорикири из Йокогамского национального университета и один из авторов исследования. «Это открытие представляет собой важный шаг к прояснению взаимосвязи между физикой БКШ и полупроводниковыми лазерами. Наблюдение не только углубляет понимание высоковозбужденных экситон-поляритонных систем, но также открывает новые возможности для исследования не -равновесная и диссипативная физика многих тел. В таких практических прикладных исследованиях остается много фундаментальных квантовых вопросов ».