物理學家創造了第一個玻色-愛因斯坦凝結物–神秘的物質”第五態”–由準粒子構成。這些實體不算是基本粒子，儘管它們仍然可以具有基本粒子的屬性，如電荷和自旋。幾十年來，人們一直不知道準粒子是否能像真正的粒子那樣進行玻色-愛因斯坦凝結，而現在看來，它們可以。這一發現將對包括量子計算在內的量子技術的發展產生重大影響。

一篇描述該物質產生過程的論文最近發表在《自然-通訊》雜誌上，該論文是在溫度略高於絕對零度的情況下實現的。

玻色-愛因斯坦凝聚物有時被描述為物質的第五種狀態，與固體、液體、氣體和等離子體並列。理論上在20世紀初就有預測，但玻色-愛因斯坦凝聚物，或稱BECs，直到1995年才在實驗室中被創造出來。它們也可能是最奇怪的物質狀態，科學界對它們仍有大量的未知。

無低溫稀釋冰箱中的儀器特寫圖片。圖片中央的暗紅色立方體晶體是氧化亞銅。放在晶體後面的一個硒化鋅半月板透鏡是一個物鏡。晶體下面的一根桿子和一個台子用於在晶體中產生不均勻的應變場，作為激子的陷阱電位。資料來源：Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka 和Makoto Kuwata-Gonokami，東京大學。

當一組原子被冷卻到絕對零度以上的十億分之一時，就會出現BECs。研究人員通常使用激光和”磁鐵陷阱”來穩定地降低氣體的溫度，這種氣體通常由銣原子組成。在這個超冷的溫度下，原子幾乎不動，並開始表現出非常奇怪的行為。它們經歷著相同的量子狀態–幾乎就像激光中的相干光子–並開始聚集在一起，作為一個無法區分的”超級原子”佔據相同的體積。原子的集合在本質上表現為一個單一的粒子。

目前，BECs仍然是許多基礎研究的主題，並用於模擬凝聚態系統，但原則上，它們在量子信息處理方面有應用。量子計算，仍然處於早期發展階段，利用了許多不同的系統。但它們都依賴於處於同一量子狀態的量子比特，或稱量子比特。

大多數BEC是由普通原子的稀薄氣體製造的。但直到現在，由奇異原子組成的BEC還從未實現過。

異類原子是指其中的一個亞原子粒子，如電子或質子，被另一個具有相同電荷的亞原子粒子所取代的原子。例如，正電子是一種由電子和其帶正電的反粒子–正電子組成的異類原子。

氧化亞銅晶體（紅色立方體）被放置在稀釋冰箱中心的一個樣品台上。研究人員在冰箱的防護罩上安裝了窗戶，允許在四個方向上對樣品台進行光學訪問。兩個方向的窗口允許透射可見區的激發光（橙色實線）和副激子的發光（黃色實線）。另外兩個方向的窗口允許透射探針光（藍色實線）進行誘導吸收成像。為了減少傳入的熱量，研究人員通過最小化數值孔徑和使用特定的窗口材料來精心設計窗口。窗口的這種專門設計和無低溫稀釋冰箱的高冷卻能力有助於實現64毫開爾文的最低基礎溫度。資料來源：東京大學森田雄介、吉岡康介和桑田剛上。

一個”激子”是另一個這樣的例子。當光照射到半導體時，能量足以”激發”電子，使其從原子的價層躍升到傳導層。這些被激發的電子然後在電流中自由流動–本質上是將光能轉化為電能。當帶負電的電子進行這種跳躍時，留下的空間，或”洞”，可以被當作是一個帶正電的粒子。負的電子和正的空洞被吸引，從而結合在一起。

結合起來以後，這個電子-空穴對是一個電中性的”準粒子”，稱為激子。準粒子是一種類似於粒子的實體，它不屬於粒子物理學標準模型中的17種基本粒子之一，但它仍然可以具有基本粒子的屬性，如電荷和自旋。激子類粒子也可以被描述為一種外來的原子，因為它實際上是一個氫原子，它的單個正質子被單個正洞所取代。

激發子有兩種類型：正激發子，其中電子的自旋與空穴的自旋平行，以及副激發子，其中電子的自旋與空穴的自旋反平行（平行但方向相反）。

電子-空穴系統已被用於創造其他物質階段，如電子-空穴等離子體，甚至激子液滴。研究人員想看看他們是否能用激子製造出一個BEC。

研究人員使用設置在樣品（紅色立方體）下的透鏡施加不均勻的應力。不均勻的應力導致不均勻的應變場，作為激子的陷阱電位。激發光束（橙色實線）集中在樣品中陷阱電位的底部。一個激子（黃色球體）由一個電子（藍色球體）和一個空穴（紅色球體）組成。研究小組通過發光（黃色陰影）或探針光的差分傳輸（藍色陰影）來檢測激子。一個設置在樣品後面的物鏡收集了來自激子的發光。探針光束也通過物鏡傳播。資料來源：東京大學的Yusuke Morita, Kosuke Yoshioka 和Makoto Kuwata-Gonokami。

“自從1962年首次在理論上提出以來，直接觀察三維半導體中的激子凝聚物一直備受追捧。沒有人知道準粒子是否能像真正的粒子那樣進行玻色-愛因斯坦凝聚，”東京大學的物理學家、該論文的共同作者Makoto Kuwata-Gonokami說。”這有點像低溫物理學的聖杯”。

研究人員認為，在氧化亞銅（Cu2O）（一種銅和氧的化合物）中產生的類似氫的副外子是在大塊半導體中製造激子BEC的最有希望的候選者之一，因為它們的壽命很長。20世紀90年代曾試圖在2K左右的液氦溫度下製造副激子BEC，但是失敗了，因為為了從激子中製造BEC，需要遠低於這個溫度。正激子不能達到如此低的溫度，因為它們的壽命太短。然而，從實驗上看，副激子的壽命非常長，超過幾百納秒，足以將它們冷卻到BEC的所需溫度。

該研究小組利用稀釋冰箱成功地在Cu2O主體中捕獲了副激子，稀釋冰箱是一種低溫設備，通過將兩種氦的同位素混合在一起進行冷卻，這種設備通常被試圖實現量子計算機的科學家所使用。然後，他們通過使用中紅外誘導吸收成像技術直接觀察了真實空間中的激子BEC，這是一種利用中紅外範圍內的光的顯微鏡技術。這使研究小組能夠進行精確的測量，包括激子的密度和溫度，這反過來又使他們能夠標出激子BEC和常規原子BEC之間的差異和相似之處。

該小組的下一步行動將是研究激子BEC在大塊半導體中如何形成的動力學，並研究激子BEC的集體激發。他們的最終目標是建立一個基於激子BEC系統的平台，以進一步闡明其量子特性，並對與環境強耦合的量子比特的量子力學有一個更好的理解。