Una pompa quantistica senza manovella

Jun 27, 2023

22 agosto 2022

dell'ETH di Zurigo

Le pompe, in poche parole, sono dispositivi che utilizzano il movimento ciclico per ottenere il trasporto stabile di alcuni carichi. In una pompa da bicicletta, i movimenti ripetuti 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 girando una manovella. Concetti correlati sono stati esplorati anche nei sistemi quantistici, in particolare per il trasporto degli elettroni uno per uno attraverso materiali allo stato solido, generando così una corrente quantizzata.

Ora, un team guidato dal dottor Tobias Donner, uno scienziato senior nel gruppo del professor Tilman Esslinger presso l’Istituto di elettronica quantistica, aggiunge una svolta sorprendente alla storia. Scrivendo su Nature, riferiscono di una pompa quantistica che non richiede alcun azionamento periodico dall'esterno: una pompa che si avvolge senza manovella.

Il team di Esslinger e Donner non lavora con gli elettroni nei materiali allo stato solido, ma con gli 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 estrema 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, indicando idealmente nuovi fenomeni della fisica quantistica. E questo è esattamente 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 ed i 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 che include la dissipazione è noto come sistema quantistico aperto. È importante sottolineare che, se opportunamente 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 Science nel 2020.

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. intrigante analogia con il movimento chirale verso l'alto in una pompa di Archimede. Analizzando attentamente il campo luminoso che fuoriesce dalla cavità, i fisici dell'ETH hanno acquisito una visione dettagliata del meccanismo e hanno caratterizzato l'interazione tra dissipazione della cavità e pompaggio quantizzato.

Ciò che è unico in questi esperimenti rispetto alle precedenti realizzazioni di pompe quantistiche – e in contrasto con il modo in cui immaginiamo una pompa in generale – è che viene osservata una corrente di particella senza alcuna guida periodica esterna. Ciò che guida la corrente è la dissipazione dalla cavità, che porta al pompaggio "auto-oscillante". In questo contesto è importante che le configurazioni atomiche tra le quali oscilla il sistema siano distinte a un livello fondamentale, in quanto possiedono diverse cosiddette topologie. In termini pratici 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 molto 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.