크랭크가 없는 양자 펌프

Jun 27, 2023

2022년 8월 22일

ETH 취리히

간단히 말해서 펌프는 일부 화물을 안정적으로 운송하기 위해 주기적 운동을 사용하는 장치입니다. 자전거 펌프에서는 피스톤의 반복적인 위아래 스트로크로 공기 흐름이 생성됩니다. 아르키메데스 스크류 펌프에서는 크랭크를 돌려 저수지 사이에 물이 이동합니다. 특히 고체 물질을 통해 전자를 하나씩 전달하여 양자화된 전류를 생성하는 관련 개념이 양자 시스템에서도 탐구되었습니다.

이제 양자 전자 연구소의 Tilman Esslinger 교수 그룹의 수석 과학자인 Dr. Tobias Donner가 이끄는 팀이 이야기에 놀라운 반전을 추가합니다. Nature에 기고한 글에서 그들은 외부에서 주기적인 구동이 필요하지 않은 양자 펌프(크랭크 없이 와인딩하는 펌프)를 보고했습니다.

Esslinger와 Donner 팀은 고체 물질의 전자를 사용하는 것이 아니라 레이저 빔을 교차시켜 생성된 복잡한 구조에 갇힌 원자를 사용하여 작업합니다. 이러한 합성 결정은 원자와 결정 격자를 모두 매우 정밀하고 유연하게 제어할 수 있다는 장점이 있습니다. 그런 다음 플랫폼을 활용하여 알려진 효과를 더 잘 이해하거나 양자 시스템이 예상치 못한 방식으로 동작하여 이상적으로는 양자 물리학의 새로운 현상을 가리키는 시나리오를 생성할 수 있습니다. 그리고 이것이 바로 현재 보고된 작업에서 팀이 달성한 것입니다.

그들의 실험의 핵심 요소는 합성 결정이 형성되는 광학 공동입니다. 공동은 원자와 관련된 광장 사이의 결합을 중재하는 역할을 합니다. 더욱이, 공동 밖으로 누출되는 광자는 소산 채널을 구성하며, 실험자는 이를 통해 탁월한 제어력을 갖습니다. 소산을 포함하는 이러한 시스템을 개방형 양자 시스템이라고 합니다. 중요한 것은 적절하게 제어되면 소실이 성가신 것이 아니라 자산이 될 수 있다는 것입니다. 2019년 Esslinger 그룹의 구성원은 공동에서 누출되는 광자가 합성 결정의 다양한 구성을 결합하여 이러한 구성 사이에서 진동하는 역학을 일으킬 수 있음을 발견했습니다. 해당 연구는 2020년 사이언스(Science)에 게재되었습니다.

현재 출판된 연구로 이어진 가장 큰 놀라움은 합성 결정 구조에 갇힌 원자가 움직이기 시작했다는 실험적 관찰이었습니다. 연구진은 여러 측정을 수행하고 수치 시뮬레이션을 수행하여 원자 운동의 메커니즘을 확인했습니다. 합성 결정은 서로 다른 구조 사이를 주기적으로 감아 서 원자의 질량 중심이 각 주기에서 고정된 양만큼 공간적으로 이동합니다. 아르키메데스 펌프의 상향 키랄 운동에 대한 흥미로운 비유입니다. ETH 물리학자들은 공동에서 누출되는 광장을 주의 깊게 분석하여 메커니즘에 대한 자세한 통찰력을 얻었고 공동 소산과 양자화된 펌핑 사이의 상호 작용을 특성화했습니다.

이전의 양자 펌프 구현과 비교하여 이러한 실험에서 독특한 점은 그리고 일반적인 펌프를 상상하는 방식과는 대조적으로 외부 주기적인 구동 없이 입자 전류가 관찰된다는 것입니다. 전류를 발생시키는 것은 캐비티로부터의 소실이며, 이는 "자체 진동" 펌핑으로 이어집니다. 이러한 맥락에서 시스템이 진동하는 원자 구성은 서로 다른 소위 토폴로지를 가지고 있다는 점에서 매우 근본적인 수준에서 구별되는 것이 중요합니다. 실제적인 측면에서 이는 입증된 전송 메커니즘이 외부 교란에 대해 안정적이어야 하며 펌핑 프로토콜의 세부 형태와 관련하여 견고해야 함을 의미합니다.

이는 흥미로운 발견입니다. 토폴로지와 개방형 양자 시스템은 모두 현대 물리학에서 매우 활동적인 영역입니다. 두 가지의 연결은 양자 다체 이론에 대한 테스트베드를 제공할 뿐만 아니라 양자 물질의 이국적인 상태를 실현하기 위한 실용적인 도구를 제공할 것을 약속합니다.