不带曲柄的量子泵

简而言之，泵是使用循环运动来实现某些货物的稳定运输的装置。在自行车泵中，活塞的重复上下冲程产生气流。在阿基米德螺杆泵中，水通过转动曲柄在储水槽之间输送。在量子系统中也探索了相关概念，特别是通过固态材料逐个传输电子，从而产生量子化电流。

现在，由量子电子研究所Tilman Esslinger教授的高级科学家Tobias Donner博士领导的一个团队为这个故事增添了一个令人惊讶的转折。他们在《自然》杂志上写道，量子泵不需要从外部进行任何周期性驱动——一种没有曲柄的泵绕组。

寻找新的谜题

Esslinger和Donner的团队不是使用固态材料中的电子，而是使用局限于相交激光束产生的复杂结构中的原子。这种合成晶体的优点是原子和晶格都可以以极高的精度和极大的灵活性进行控制。然后，可以利用该平台来更好地了解已知效应，或者生成量子系统以不可预见的方式运行的场景，理想情况下指向量子物理学的新现象。而这正是该团队在现在 道的工作中取得的成就。

他们实验的一个关键成分是形成合成晶体的光学腔。空腔用于介导原子和所涉及的光场之间的耦合。此外，从腔体中泄漏出来的光子构成了一个耗散通道，实验人员也对该通道具有出色的控制。这种包括耗散的系统被称为开放量子系统。重要的是，当得到适当控制时，耗散可能是一种资产而不是一种麻烦：2019年，Esslinger小组的成员发现，从空腔泄漏的光子可以耦合合成晶体的不同配置，从而在这些配置之间产生动力学振荡。这项工作于2020年发表在《科学》杂志上。

阿基米德螺杆泵。

通过兜圈子取得进步

导致现在发表的工作的最大惊喜是实验观察，即被困在合成晶体结构中的原子开始移动。通过进行多次测量和执行数值模拟，研究人员确定了原子运动背后的机制：合成晶体周期性地在不同结构之间缠绕，使得原子的质心在每个周期中在空间上移动固定量 - 这与阿基米德泵中的向上手性运动进行了有趣的类比。通过仔细分析从腔体泄漏的光场，ETH物理学家对机理有了详细的了解，并表征了腔体耗散和量化泵送之间的相互作用。

谁转动曲柄？

与以前实现的量子泵相比，这些实验的独特之处在于，与我们通常如何想象泵相反，在没有任何外部周期性驱动的情况下观察到粒子电流。驱动电流的是腔体的耗散，导致“自振荡”泵送。在这种情况下，重要的是系统振荡之间的原子配置在非常基本的层面上是不同的，因为它们具有不同的所谓拓扑结构。实际上，这意味着所演示的传输机制应具有针对外部扰动的稳定性，并且在泵送协议的详细形式方面也具有鲁棒性。

这些都是令人兴奋的发现。拓扑学和开放量子系统都是现代物理学的高度活跃的领域。两者之间的联系不仅有望为量子多体理论提供测试平台，而且还为实现量子物质的奇异态提供实用工具。

更多信息：Davide Dreon等人，拓扑耗散原子腔系统中的自振荡泵，Nature（2022）。DOI：
10.1038/s41586-022-04970-0

Nishant Dogra等人，耗散诱导的结构不稳定性和量子气体中的手性动力学，科学（2020）。DOI： 10.1126/science.aaw4465

期刊信息： 科学 ， 自然