Квантовый насос без рукоятки

Jun 27, 2023

22 августа 2022 г.

от ETH Цюрих

Короче говоря, насосы — это устройства, которые используют циклическое движение для обеспечения устойчивой транспортировки некоторого груза. В велосипедном насосе повторяющиеся ходы поршня вверх и вниз создают поток воздуха. В винтовом насосе Архимеда вода перекачивается между резервуарами путем вращения рукоятки. Связанные концепции также изучались в квантовых системах, в частности, для транспортировки электронов один за другим через твердотельные материалы, тем самым генерируя квантованный ток.

Теперь команда под руководством доктора Тобиаса Доннера, старшего научного сотрудника группы профессора Тилмана Эсслингера в Институте квантовой электроники, добавляет к этой истории неожиданный поворот. В статье в журнале Nature они сообщают о квантовом насосе, который не требует какого-либо периодического воздействия извне — обмотка насоса без кривошипа.

Команда Эсслингера и Доннера работает не с электронами в твердотельных материалах, а с атомами, заключенными в сложные структуры, созданные пересекающимися лазерными лучами. Преимущество таких синтетических кристаллов состоит в том, что атомами и кристаллической решеткой можно управлять с исключительной точностью и большой гибкостью. Затем платформу можно будет использовать либо для лучшего понимания известных эффектов, либо для создания сценариев, в которых квантовые системы ведут себя непредвиденным образом, в идеале указывая на новые явления квантовой физики. И это именно то, чего достигла команда в работе, о которой сейчас сообщается.

Ключевым ингредиентом их эксперимента является оптический резонатор, в котором формируется синтетический кристалл. Полость служит для обеспечения связи между атомами и задействованными световыми полями. Более того, фотоны, вылетающие из резонатора, представляют собой канал диссипации, над которым экспериментаторы также имеют превосходный контроль. Такая система, включающая диссипацию, известна как открытая квантовая система. Важно отметить, что при правильном контроле рассеяние может быть скорее преимуществом, чем помехой: в 2019 году члены группы Эсслингера обнаружили, что фотоны, вытекающие из полости, могут связывать различные конфигурации синтетического кристалла, вызывая колебания динамики между этими конфигурациями. Эта работа была опубликована в журнале Science в 2020 году.

Большим сюрпризом, приведшим к опубликованной сейчас работе, стало экспериментальное наблюдение того, что атомы, попавшие в синтетическую кристаллическую структуру, начали двигаться. Проведя несколько измерений и численное моделирование, исследователи определили механизм движения атомов: синтетический кристалл периодически вращался между различными структурами, так что центр масс атомов пространственно смещался на фиксированную величину в каждом цикле — в интригующая аналогия с киральным движением вверх в архимедовом насосе. Тщательно анализируя световое поле, вытекающее из резонатора, физики ETH получили детальное представление о механизме и охарактеризовали взаимодействие между диссипацией резонатора и квантовой накачкой.

Уникальность этих экспериментов по сравнению с предыдущими реализациями квантовых насосов (и в отличие от того, как мы представляем себе насос в целом), заключается в том, что ток частиц наблюдается без какого-либо внешнего периодического воздействия. Движущим током является диссипация из резонатора, приводящая к «автоколебательной» накачке. В этом контексте важно, что конфигурации атомов, между которыми колеблется система, различны на самом фундаментальном уровне, поскольку они обладают разными так называемыми топологиями. На практике это означает, что продемонстрированный механизм транспорта должен быть устойчивым к внешним возмущениям, а также устойчивым к детальной форме протокола накачки.

Это захватывающие открытия. Топология и открытые квантовые системы являются весьма активными областями современной физики. Связь между ними обещает стать не только испытательной площадкой для квантовой теории многих тел, но и практическим инструментом для реализации экзотических состояний квантовой материи.