En kvantepumpe uden håndsving

Pumper, i en nøddeskal, er enheder, der bruger cyklisk bevægelse til at opnå en stabil transport af noget last. I en cykelpumpe skaber de gentagne op- og nedslag af et stempel luftstrøm. I en arkimedeansk skruepumpe overføres vand mellem reservoirer ved at dreje en håndsving. Beslægtede koncepter er også blevet undersøgt i kvantesystemer, især til at transportere elektroner én efter én gennem faststofmaterialer og derved generere en kvantiseret strøm.

Nu tilføjer et team ledet af Dr. Tobias Donner, en seniorforsker i gruppen af ​​prof. Tilman Esslinger ved Institute for Quantum Electronics, et overraskende twist til historien. At skrive i naturen , rapporterer de om en kvantepumpe, der ikke kræver nogen periodisk kørsel udefra - en pumpe, der snoer sig uden håndsvinget.

Søgen efter nye gåder

Teamet af Esslinger og Donner arbejder ikke med elektroner i faststofmaterialer, men i stedet med atomer begrænset til komplekse strukturer skabt af skærende laserstråler. Sådanne syntetiske krystaller har den fordel, at både atomerne og krystalgitteret kan styres med udsøgt præcision og stor fleksibilitet. Platformen kan derefter udnyttes enten til at opnå en bedre forståelse af kendte effekter eller til at generere scenarier, hvor kvantesystemer opfører sig på uforudsete måder, ideelt set peger på nye fænomener inden for kvantefysik. Og det er netop, hvad teamet opnåede i det arbejde, som nu rapporterede.

En nøgleingrediens i deres eksperiment er et optisk hulrum, hvori den syntetiske krystal er dannet. Hulrummet tjener til at formidle en kobling mellem atomerne og de involverede lysfelter. Desuden udgør fotoner, der siver ud af hulrummet, en dissipationskanal, som forsøgslederne også har fremragende kontrol over. Et sådant system inklusive dissipation er kendt som et åbent kvantesystem. Det er vigtigt, når det kontrolleres på passende måde, kan spredning være et aktiv snarere end en gene:I 2019 fandt medlemmer af Esslinger-gruppen ud af, at fotoner, der lækker fra hulrummet, kan koble forskellige konfigurationer af en syntetisk krystal, hvilket giver anledning til dynamik, der svinger mellem disse konfigurationer. Det værk blev offentliggjort i Science i 2020.

Avancering ved at gå i cirkler

Den store overraskelse, der førte til det nu offentliggjorte arbejde, var den eksperimentelle observation, at atomerne fanget i den syntetiske krystalstruktur begyndte at bevæge sig. Ved at udføre flere målinger og udføre numeriske simuleringer identificerede forskerne mekanismen bag atombevægelsen:Den syntetiske krystal snoede sig periodisk mellem forskellige strukturer, således at atomernes massecenter er rumligt forskudt med en fast mængde i hver cyklus - i spændende analogi til den opadgående chirale bevægelse i en arkimedeansk pumpe. Ved omhyggeligt at analysere lysfeltet, der lækker fra hulrummet, fik ETH-fysikerne detaljeret indsigt i mekanismen og karakteriserede samspillet mellem hulrumsdissipation og kvantiseret pumpning.

Hvem drejer håndsvinget?

Det unikke i disse eksperimenter sammenlignet med tidligere erkendelser af kvantepumper – og i modsætning til hvordan vi forestiller os en pumpe generelt – er, at en partikelstrøm observeres uden nogen ekstern periodisk kørsel. Det, der driver strømmen, er dissipationen fra hulrummet, hvilket fører til "selv-oscillerende" pumpning. I denne sammenhæng er det vigtigt, at de atomkonfigurationer, som systemet svinger imellem, er adskilte på et meget grundlæggende niveau, idet de har forskellige såkaldte topologier. Rent praktisk betyder dette, at den demonstrerede transportmekanisme skal være stabil mod ydre forstyrrelser og også robust med hensyn til den detaljerede udformning af pumpeprotokollen.

Det er spændende fund. Topologi og åbne kvantesystemer er begge meget aktive områder af moderne fysik. Forbindelsen mellem de to lover ikke kun at give et testbed for kvante-mangelegemeteori, men også et praktisk værktøj til at realisere eksotiske tilstande af kvantestof. + Udforsk yderligere

Uventet drejning i et kvantesystem