クランクのない量子ポンプ

Jun 27, 2023

2022 年 8 月 22 日

チューリッヒ工科大学による

ポンプは一言で言えば、周期運動を利用して貨物の安定した輸送を実現する装置です。 自転車のポンプでは、ピストンの上下ストロークを繰り返すことで空気の流れが生じます。 アルキメデスのスクリューポンプでは、クランクを回転させることによって水が貯水池間を移動します。 関連する概念は、特に固体材料を通して電子を 1 つずつ輸送し、それによって量子化された電流を生成する量子システムでも研究されています。

今回、量子エレクトロニクス研究所のティルマン・エスリンガー教授のグループの上級研究員であるトビアス・ドナー博士が率いるチームが、この物語に驚くべきひねりを加えている。 Nature 誌に寄稿した彼らは、外部からの定期的な駆動を必要としない量子ポンプ、つまりクランクのないポンプ巻線について報告しています。

エスリンガー氏とドナー氏のチームは、固体材料内の電子を扱うのではなく、レーザー光線の交差によって作成された複雑な構造に閉じ込められた原子を扱う。 このような合成結晶には、原子と結晶格子の両方を絶妙な精度と高い柔軟性で制御できるという利点があります。 このプラットフォームは、既知の効果をより深く理解するため、または量子システムが予期せぬ方法で動作するシナリオを生成するために利用でき、理想的には量子物理学の新しい現象を指し示すことができます。 そしてこれはまさに、チームが今回報告された研究で達成したことです。

彼らの実験の重要な要素は、合成結晶が形成される光キャビティです。 キャビティは、原子と関連するライトフィールドとの間の結合を仲介する役割を果たします。 さらに、キャビティから漏れ出る光子は散逸チャネルを構成し、実験者はそれをうまく制御することもできます。 このような散逸を含むシステムは、オープン量子システムとして知られています。 重要なのは、適切に制御すれば、散逸は迷惑ではなく資産になり得るということです。2019年、エスリンガーグループのメンバーは、空洞から漏れる光子が合成結晶の異なる構成を結合し、これらの構成間で振動するダイナミクスを引き起こす可能性があることを発見しました。 この研究は 2020 年に Science 誌に掲載されました。

今回出版された研究につながる大きな驚きは、合成結晶構造に閉じ込められた原子が動き始めるという実験的観察であった。 いくつかの測定を実施し、数値シミュレーションを実行することで、研究者らは原子運動の背後にあるメカニズムを特定した。合成結晶は異なる構造の間を周期的に曲がりくねっており、その結果原子の質量中心は各サイクルで一定量だけ空間的にシフトする。これは、アルキメデスのポンプにおける上向きのカイラル運動との興味深い類似点です。 ETHの物理学者たちは、空洞から漏れる光場を注意深く分析することで、そのメカニズムについての詳細な洞察を獲得し、空洞の散逸と量子化ポンピングの間の相互作用を特徴づけました。

以前の量子ポンプの実現と比較して、また一般的なポンプのイメージと比較して、これらの実験でユニークなのは、外部からの周期的な駆動を一切行わずに粒子電流が観察されることです。 電流を駆動するのはキャビティからの散逸であり、「自励発振」ポンピングを引き起こします。 この文脈では、システムが振動する原子構成が、異なるいわゆるトポロジーを持っているという点で、非常に基本的なレベルで異なっていることが重要です。 実際的には、これは、実証された輸送メカニズムが外部摂動に対して安定しており、ポンピングプロトコルの詳細な形式に関しても堅牢である必要があることを意味します。

これらは興味深い発見です。 トポロジーとオープン量子システムはどちらも現代物理学の非常に活発な分野です。 この 2 つの関係は、量子多体理論のテストベッドだけでなく、量子物質のエキゾチックな状態を実現するための実用的なツールも提供することを約束します。

詳しくは： Davide Dreon 他、トポロジカル散逸原子空洞システムにおける自励振動ポンプ、Nature (2022)。 DOI: 10.1038/s41586-022-04970-0

Nishant Dogra 他、量子気体における散逸誘起構造不安定性とキラルダイナミクス、サイエンス (2020)。 DOI: 10.1126/science.aaw4465

雑誌情報:科学、自然

チューリッヒ工科大学提供