Seit mehr als 60 Jahren suchen Physiker nach einem Festkörperweg zur makroskopischen Quantenkohärenz: ein Bose-Einstein-Kondensat (BEK) aus Exzitonen — gebundenen Elektron-Loch-Paaren. Ein Team unter Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory hat dies nun in einem atomdünnen Halbleiterbauelement erreicht und gezeigt, dass das Kondensat eine verborgene innere Struktur besitzt, die sich mit einem Magnetfeld umschalten lässt.
Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse beschreiben ein abstimmbares Exzitonen-BEK, das bei Temperaturen bis zu etwa 2 Kelvin erhalten bleibt — immer noch extrem kalt, aber millionenfach wärmer als frühere BEK-Demonstrationen in ultrakalten Atomgasen. Der entscheidende Kunstgriff: Die Forscher brachten die Exzitonen in den Grundzustand eines 2D-Halbleiterbauelements, statt sie als kurzlebige angeregte Zustände zu erzeugen, sodass sie ein Gleichgewicht erreichen und als Kondensat bestehen konnten.
Mit kryogener magneto-optischer Spektroskopie fand das Team heraus, dass die Exzitonenflüssigkeit kein einfacher Quantenzustand ist. Elektronen und Löcher in atomdünnen Kristallen tragen Spin- und „Tal"-Freiheitsgrade, was dem Kondensat mehrere unterschiedliche Phasen verleiht — auf-ab, ab-ab, auf-ab oder ab-auf —, die durch ein kleines Magnetfeld umgeschaltet werden können.
„Das Aufregende ist, dass dies nicht nur ein einfaches Kondensat ist", sagte der Erstautor Ruishi Qi. „Es hat innere Strukturen, die wir kontrollieren können. Mit einem kleinen Magnetfeld können wir dieselbe Exzitonenflüssigkeit zwischen verschiedenen Quantenzuständen umschalten."
Über den grundlegenden Reiz hinaus schafft der Durchbruch eine neue Festkörperplattform zur Untersuchung von Quantenflüssigkeiten — mit langfristigen Auswirkungen auf Quanteninformationswissenschaft, Quantensimulationen, kohärente Optoelektronik und künftige exzitonenbasierte Bauelemente für schnellere, effizientere Computer. Als Nächstes will das Team supraströmungsbasierte Quantenbauelemente und Schaltkreise auf Basis des Exzitonen-BEK demonstrieren.
