Экспериментальные частотные спектры фотонов, вытекающих из резонатора. С течением времени (сверху вниз) система эволюционирует из одной конфигурации в две совершенно разные, что отражается в разделении на два пика. Предоставлено: ETH Zurich / Александр Баумгертнер

Насосы, в двух словах, представляют собой устройства, которые используют циклическое движение для обеспечения устойчивой транспортировки некоторого груза. В велосипедном насосе повторяющиеся движения поршня вверх и вниз создают поток воздуха. В архимедовом винтовом насосе вода перемещается между резервуарами за счет вращения кривошипа. Связанные концепции также исследовались в квантовых системах, в частности, для переноса электронов один за другим через твердотельные материалы, тем самым генерируя квантованный ток.

Теперь команда под руководством доктора Тобиаса Доннера, старшего научного сотрудника в группе профессора Тилмана Эсслингера в Институте квантовой электроники, добавляет в эту историю неожиданный поворот. В журнале Nature они сообщают о квантовом насосе, не требующем периодического управления извне, — обмотке насоса без кривошипа.

Поиск новых головоломок

Команда Эсслингера и Доннера работает не с электронами в твердотельных материалах, а с атомами, ограниченными сложными структурами, созданными пересекающимися лазерными лучами. Преимущество таких синтетических кристаллов состоит в том, что и атомы, и кристаллическую решетку можно контролировать с исключительной точностью и большой гибкостью. Затем платформу можно использовать либо для лучшего понимания известных эффектов, либо для создания сценариев, в которых квантовые системы ведут себя непредвиденным образом, что в идеале указывает на новые явления квантовой физики. И именно этого команда добилась в работе, о которой сейчас сообщается.

Ключевым элементом их эксперимента является оптический резонатор, в котором формируется синтетический кристалл. Полость служит для обеспечения связи между атомами и задействованными световыми полями. Более того, фотоны, просачивающиеся из резонатора, образуют канал рассеяния, который экспериментаторы также прекрасно контролируют. Такая система, включающая диссипацию, известна как открытая квантовая система. Важно отметить, что при надлежащем контроле рассеяние может быть скорее преимуществом, чем помехой: в 2019 году члены группы Эсслингера обнаружили, что фотоны, просачивающиеся из резонатора, могут связывать различные конфигурации синтетического кристалла, вызывая колебания динамики между этими конфигурациями. Эта работа была опубликована в журнале Science в 2020 году.

Архимедов винтовой насос

Продвижение по кругу

Большим сюрпризом, приведшим к опубликованной работе, стало экспериментальное наблюдение того, что атомы, захваченные в синтетической кристаллической структуре, начали двигаться. Проведя несколько измерений и выполнив 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 восходящим хиральным движением в архимедовом насосе. Тщательно проанализировав световое поле, просачивающееся из полости, физики ETH получили подробное представление о механизме и описали взаимодействие между рассеянием в полости и квантованной накачкой.

Кто крутит рукоятку?

Уникальность этих экспериментов по сравнению с предыдущими реализациями квантовых насосов — и по сравнению с тем, как мы представляем себе насос в целом — заключается в том, что поток частиц наблюдается без какого-либо внешнего периодического возбуждения. То, что управляет током, - это рассеяние из полости, что приводит к «автоколебательной» накачке. В этом контексте важно, что конфигурации атомов, между которыми колеблется система, различны на очень фундаментальном уровне, поскольку они обладают разными так называемыми топологиями. На практике это означает, что продемонстрированный транспортный механизм должен быть устойчивым к внешним возмущениям, а также устойчивым к подробной форме протокола накачки.

Это захватывающие открытия. Топология и открытые квантовые системы — очень активные области современной физики. Связь между ними обещает предоставить не только испытательный стенд для квантовой теории многих тел, но и практический инструмент для реализации экзотических состояний квантовой материи.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org