Насосы, в двух словах, представляют собой устройства, которые используют циклическое движение для достижения устойчивой транспортировки некоторого груза. В велосипедном насосе повторяющиеся движения поршня вверх и вниз создают поток воздуха. В винтовом насосе Архимеда вода перемещается между резервуарами путем поворота рукоятки. Родственные концепции также были исследованы в квантовых системах, в частности, для транспортировки электронов по одному через твердотельные материалы, генерируя тем самым квантованный ток. Теперь команда, возглавляемая доктором Тобиасом Доннером, старшим научным сотрудником в группе проф. Тилман Эсслингер с физического факультета Цюрихского технологического института добавляет неожиданный поворот в историю. Писать в Природа, они сообщают о квантовом насосе, который не требует какого-либо периодического приведения в действие извне - обмотка насоса без кривошипа.

Поиск новых головоломок

Команда Эсслингера и Доннера работает не с электронами в твердотельных материалах, а с атомами, заключенными в сложные структуры, созданные пересекающимися лазерными лучами. Такие синтетические кристаллы обладают тем преимуществом, что как атомами, так и кристаллической решеткой можно управлять 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, в идеале указывая на новые явления квантовой физики. И это именно то, чего команда достигла в работе, о которой сейчас сообщается.

Ключевым компонентом их эксперимента является оптический резонатор, в котором формируется синтетический кристалл. Резонатор служит для обеспечения связи между атомами и задействованными световыми полями. Более того, фотоны, вытекающие из резонатора, образуют канал рассеяния, над которым экспериментаторы также имеют превосходный контроль. Такая система, включающая диссипацию, известна как открытая квантовая система. Важно отметить, что при надлежащем контроле рассеивание может быть скорее преимуществом, чем помехой: в 2019 году члены группы Эсслингера обнаружили, что фотоны, вытекающие из резонатора, могут соединять различные конфигурации синтетического кристалла, вызывая колебания динамики между этими конфигурациями.

Продвижение по кругу

Большим сюрпризом, приведшим к опубликованной сейчас работе, стало экспериментальное наблюдение того, что атомы, захваченные в синтетической кристаллической структуре, начали двигаться. Проведя несколько измерений и выполнив численное моделирование, исследователи определили механизм, лежащий в основе движения атомов: синтетический кристалл периодически перемещался между различными структурами, так что центр масс атомов смещался в пространстве на фиксированную величину в каждом цикле - по интригующей аналогии с восходящим киральным движением в архимедовом насос. Тщательно проанализировав световое поле, вытекающее из резонатора, физики ETH получили детальное представление о механизме и охарактеризовали взаимодействие между рассеянием в резонаторе и квантованной накачкой.

Кто поворачивает рукоятку?

Что уникально в этих экспериментах по сравнению с предыдущими реализациями квантовых насосов - и в отличие от того, как мы представляем насос в целом, - так это то, что поток частиц наблюдается без какого-либо внешнего периодического возбуждения. То, что приводит в действие ток, - это рассеивание из резонатора, приводящее к "автоколебательной" накачке. В этом контексте важно, что конфигурации атомов, между которыми колеблется система, различны на очень фундаментальном уровне, поскольку они обладают различными так называемыми топологиями. На практике это означает, что продемонстрированный механизм транспортировки должен быть устойчив к внешним возмущениям, а также надежен в отношении подробной формы протокола перекачки.

Это захватывающие находки. Топология и открытые квантовые системы являются высокоактивными областями современной физики. Связь между ними обещает стать не только испытательным стендом для квантовой теории многих тел, но и практическим инструментом для реализации экзотических состояний квантовой материи.