Pompen, in een notendop, zijn apparaten die cyclische beweging gebruiken om het gestage transport van bepaalde lading te bereiken. In een fietspomp zorgen de herhaalde op en neergaande bewegingen van een zuiger voor een luchtstroom. In een Archimedische vijzelpomp wordt water tussen reservoirs overgebracht door aan een slinger te draaien. Verwante concepten zijn ook onderzocht in kwantumsystemen, met name voor het één voor één transporteren van elektronen door vastestofmaterialen, waardoor een gekwantiseerde stroom wordt gegenereerd.

Nu voegt een team onder leiding van Dr. Tobias Donner, een Senior Scientist in de groep van Prof. Tilman Esslinger aan het Institute for Quantum Electronics, een verrassende draai aan het verhaal toe. Schrijven in Natuur , rapporteren ze een kwantumpomp die geen periodieke aandrijving van buitenaf vereist - een pomp die opwindt zonder de slinger.

De zoektocht naar nieuwe puzzels

Het team van Esslinger en Donner werkt niet met elektronen in vastestofmaterialen, maar met atomen die zijn beperkt tot complexe structuren die worden gecreëerd door elkaar kruisende laserstralen. Dergelijke synthetische kristallen hebben het voordeel dat zowel de atomen als het kristalrooster met voortreffelijke precisie en grote flexibiliteit kunnen worden aangestuurd. Het platform kan vervolgens worden gebruikt om bekende effecten beter te begrijpen, of om scenario's te genereren waarin kwantumsystemen zich op onvoorziene manieren gedragen, idealiter wijzend op nieuwe fenomenen van de kwantumfysica. En dit is precies wat het team heeft bereikt in het werk dat nu wordt gerapporteerd.

Een belangrijk ingrediënt van hun experiment is een optische holte waarin het synthetische kristal wordt gevormd. De holte dient om een ​​koppeling tussen de atomen en de betrokken lichtvelden tot stand te brengen. Bovendien vormen fotonen die uit de holte lekken een dissipatiekanaal, waarover de onderzoekers ook uitstekende controle hebben. Een dergelijk systeem inclusief dissipatie staat bekend als een open kwantumsysteem. Belangrijk is dat dissipatie, wanneer deze op de juiste manier wordt gecontroleerd, een voordeel kan zijn in plaats van hinderlijk:in 2019 ontdekten leden van de Esslinger-groep dat fotonen die uit de holte lekken, verschillende configuraties van een synthetisch kristal kunnen koppelen, waardoor de dynamiek tussen deze configuraties oscilleert. Dat werk is gepubliceerd in Science in 2020.

Vooruitgang door in cirkels te draaien

De grote verrassing die tot het nu gepubliceerde werk leidde, was de experimentele waarneming dat de atomen die vastzaten in de synthetische kristalstructuur begonnen te bewegen. Door verschillende metingen uit te voeren en numerieke simulaties uit te voeren, identificeerden de onderzoekers het mechanisme achter de atomaire beweging:het synthetische kristal kronkelde periodiek tussen verschillende structuren, zodat het massamiddelpunt van de atomen in elke cyclus met een vaste hoeveelheid wordt verschoven - in intrigerende analogie met de opwaartse chirale beweging in een Archimedische pomp. Door zorgvuldig het lichtveld te analyseren dat uit de holte lekt, kregen de ETH-natuurkundigen gedetailleerde inzichten in het mechanisme en karakteriseerden ze het samenspel tussen holtedissipatie en gekwantificeerd pompen.

Wie draait aan de slinger?

Wat uniek is aan deze experimenten in vergelijking met eerdere realisaties van kwantumpompen - en in tegenstelling tot hoe we een pomp in het algemeen voorstellen - is dat een deeltjesstroom wordt waargenomen zonder enige externe periodieke aandrijving. Wat de stroom aandrijft, is de dissipatie van de holte, wat leidt tot "zelfoscillerend" pompen. In deze context is het belangrijk dat de atoomconfiguraties waartussen het systeem oscilleert op een zeer fundamenteel niveau verschillend zijn, in die zin dat ze verschillende zogenaamde topologieën bezitten. In de praktijk betekent dit dat het gedemonstreerde transportmechanisme stabiel moet zijn tegen externe verstoringen en ook robuust moet zijn met betrekking tot de gedetailleerde vorm van het pompprotocol.

Dit zijn spannende bevindingen. Topologie en open kwantumsystemen zijn beide zeer actieve gebieden van de moderne natuurkunde. De verbinding tussen de twee belooft niet alleen een testbed te bieden voor de kwantumveellichamentheorie, maar ook een praktisch hulpmiddel voor het realiseren van exotische toestanden van kwantummaterie. + Verder verkennen

Onverwachte wending in een kwantumsysteem