Pumpar, i ett nötskal, är enheter som använder cyklisk rörelse för att uppnå en stadig transport av en del last. I en cykelpump skapar en kolvs upprepade upp- och nedslag luftflöde. I en arkimedeansk skruvpump överförs vatten mellan reservoarerna genom att vrida en vev. Besläktade koncept har också utforskats i kvantsystem, särskilt för att transportera elektroner en efter en genom fasta material, och därigenom generera en kvantiserad ström.

Nu lägger ett team under ledning av Dr. Tobias Donner, en senior forskare i gruppen av professor Tilman Esslinger vid Institutet för kvantelektronik, en överraskande twist till historien. Att skriva i naturen , rapporterar de en kvantpump som inte kräver någon periodisk körning utifrån – en pump som slingrar sig utan veven.

Sökningen efter nya pussel

Teamet av Esslinger och Donner arbetar inte med elektroner i fasta material, utan istället med atomer begränsade till komplexa strukturer skapade av skärande laserstrålar. Sådana syntetiska kristaller har fördelen att både atomerna och kristallgittret kan styras med utsökt precision och stor flexibilitet. Plattformen kan sedan utnyttjas antingen för att få en bättre förståelse av kända effekter, eller för att generera scenarier där kvantsystem beter sig på oförutsedda sätt, idealiskt för att peka på nya fenomen inom kvantfysik. Och det är precis vad teamet uppnådde i det arbete som nu rapporterats.

En nyckelingrediens i deras experiment är en optisk kavitet där den syntetiska kristallen bildas. Kaviteten tjänar till att förmedla en koppling mellan atomerna och de inblandade ljusfälten. Dessutom utgör fotoner som läcker ut ur kaviteten en spridningskanal, över vilken experimentörerna också har utmärkt kontroll. Ett sådant system inklusive förlust är känt som ett öppet kvantsystem. Viktigt, när det kontrolleras på lämpligt sätt, kan avledning vara en tillgång snarare än en olägenhet:2019 fann medlemmar av Esslinger-gruppen att fotoner som läcker från kaviteten kan koppla ihop olika konfigurationer av en syntetisk kristall, vilket ger upphov till dynamik som svänger mellan dessa konfigurationer. Det verket publicerades i Science 2020.

Avancemang genom att gå i cirklar

Den stora överraskningen som ledde fram till det nu publicerade verket var den experimentella observationen att atomerna fångade i den syntetiska kristallstrukturen började röra sig. Genom att utföra flera mätningar och utföra numeriska simuleringar identifierade forskarna mekanismen bakom atomrörelsen:Den syntetiska kristallen slingrade sig periodiskt mellan olika strukturer, så att atomernas masscentrum förskjuts rumsligt med en fast mängd i varje cykel - i spännande analogi till den uppåtriktade kirala rörelsen i en arkimedisk pump. Genom att noggrant analysera ljusfältet som läcker från kaviteten, fick ETH-fysikerna detaljerade insikter i mekanismen och karakteriserade samspelet mellan kavitetsavledning och kvantiserad pumpning.

Vem vänder på veven?

Det som är unikt i dessa experiment jämfört med tidigare realiseringar av kvantpumpar – och i motsats till hur vi föreställer oss en pump i allmänhet – är att en partikelström observeras utan någon extern periodisk drivning. Det som driver strömmen är förlusten från kaviteten, vilket leder till "självsvängande" pumpning. I detta sammanhang är det viktigt att de atomkonfigurationer som systemet oscillerar mellan är distinkta på en mycket fundamental nivå, genom att de har olika så kallade topologier. Rent praktiskt innebär detta att den demonstrerade transportmekanismen bör vara stabil mot yttre störningar och även robust med hänsyn till pumpprotokollets detaljerade form.

Det är spännande fynd. Topologi och öppna kvantsystem är båda mycket aktiva områden inom modern fysik. Kopplingen mellan de två lovar att ge inte bara en testbädd för kvantmångkroppsteori utan också ett praktiskt verktyg för att förverkliga exotiska tillstånd av kvantmateria. + Utforska vidare

Oväntad vändning i ett kvantsystem