Spettri di frequenza sperimentali di fotoni che fuoriescono dalla cavità. Con il passare del tempo (dall'alto verso il basso), il sistema evolve da una singola configurazione a due nettamente diverse, riflesse nella suddivisione in due picchi. Credito:ETH Zurigo / Alexander Baumgärtner
Le pompe, in poche parole, sono dispositivi che utilizzano il movimento ciclico per ottenere il trasporto costante di alcuni carichi. In una pompa da bicicletta, i ripetuti movimenti su e giù di un pistone creano un flusso d'aria. In una pompa a vite di Archimede, l'acqua viene trasferita tra i serbatoi ruotando una manovella. Concetti correlati sono stati esplorati anche nei sistemi quantistici, in particolare per il trasporto di elettroni uno per uno attraverso materiali allo stato solido, generando così una corrente quantizzata.
Ora, un team guidato dal Dr. Tobias Donner, uno scienziato senior nel gruppo del Prof. Tilman Esslinger presso l'Institute for Quantum Electronics, aggiunge una svolta sorprendente alla storia. Scrivere in Natura , segnalano una pompa quantistica che non richiede alcun azionamento periodico dall'esterno:un avvolgimento della pompa senza manovella.
La ricerca di nuovi enigmi
Il team di Esslinger e Donner lavora non con elettroni in materiali allo stato solido, ma con atomi confinati in strutture complesse create dall'intersezione di raggi laser. Tali cristalli sintetici hanno il vantaggio che sia gli atomi che il reticolo cristallino possono essere controllati con squisita precisione e grande flessibilità. La piattaforma può quindi essere sfruttata per ottenere una migliore comprensione degli effetti noti o per generare scenari in cui i sistemi quantistici si comportano in modi imprevisti, puntando idealmente a nuovi fenomeni della fisica quantistica. Ed è proprio ciò che il team ha ottenuto nel lavoro ora riportato.
Un ingrediente chiave del loro esperimento è una cavità ottica in cui si forma il cristallo sintetico. La cavità serve a mediare un accoppiamento tra gli atomi ei campi luminosi coinvolti. Inoltre, i fotoni che fuoriescono dalla cavità costituiscono un canale di dissipazione, sul quale anche gli sperimentatori hanno un eccellente controllo. Un tale sistema, inclusa la dissipazione, è noto come un sistema quantistico aperto. È importante sottolineare che, se adeguatamente controllata, la dissipazione può essere un vantaggio piuttosto che un fastidio:nel 2019 i membri del gruppo Esslinger hanno scoperto che i fotoni che fuoriescono dalla cavità possono accoppiare diverse configurazioni di un cristallo sintetico, dando origine a dinamiche oscillanti tra queste configurazioni. Quel lavoro è stato pubblicato su Scienza nel 2020.
Una pompa a vite di Archimede. Credito:Shutterstock
Avanza andando in tondo
La grande sorpresa che ha portato al lavoro ora pubblicato è stata l'osservazione sperimentale che gli atomi intrappolati nella struttura cristallina sintetica hanno iniziato a muoversi. Eseguendo diverse misurazioni ed eseguendo simulazioni numeriche, i ricercatori hanno identificato il meccanismo alla base del movimento atomico:il cristallo sintetico si avvolgeva periodicamente tra diverse strutture, in modo tale che il centro di massa degli atomi fosse spostato spazialmente di una quantità fissa in ogni ciclo, in analogia intrigante con il movimento chirale verso l'alto in una pompa di Archimede. Analizzando attentamente il campo di luce che fuoriesce dalla cavità, i fisici dell'ETH hanno acquisito informazioni dettagliate sul meccanismo e caratterizzato l'interazione tra dissipazione della cavità e pompaggio quantizzato.
Chi fa girare la manovella?
Ciò che è unico in questi esperimenti rispetto alle precedenti realizzazioni delle pompe quantistiche - e in contrasto con il modo in cui immaginiamo una pompa in generale - è che una corrente di particelle viene osservata senza alcun azionamento periodico esterno. Ciò che guida la corrente è la dissipazione dalla cavità, che porta a un pompaggio "auto-oscillante". In questo contesto è importante che le configurazioni atomiche tra cui oscilla il sistema siano distinte su un livello molto fondamentale, in quanto possiedono diverse cosiddette topologie. In pratica ciò significa che il meccanismo di trasporto dimostrato dovrebbe essere stabile contro le perturbazioni esterne e anche robusto per quanto riguarda la forma dettagliata del protocollo di pompaggio.
Questi sono risultati entusiasmanti. La topologia e i sistemi quantistici aperti sono entrambi aree altamente attive della fisica moderna. La connessione tra i due promette di fornire non solo un banco di prova per la teoria quantistica a molti corpi, ma anche uno strumento pratico per realizzare stati esotici della materia quantistica. + Esplora ulteriormente
