Eine Quantenpumpe ohne Kurbel

Kurz gesagt, Pumpen sind Geräte, die zyklische Bewegungen verwenden, um den gleichmäßigen Transport einer Ladung zu erreichen. In einer Fahrradpumpe erzeugen die wiederholten Auf- und Abbewegungen eines Kolbens einen Luftstrom. In einer archimedischen Schneckenpumpe wird Wasser zwischen Reservoirs durch Drehen einer Kurbel übertragen. Verwandte Konzepte wurden auch in Quantensystemen untersucht, insbesondere für den Transport von Elektronen einzeln durch Festkörpermaterialien, wodurch ein quantisierter Strom erzeugt wird.

Nun fügt ein Team um Dr. Tobias Donner, Senior Scientist in der Gruppe von Prof. Tilman Esslinger am Institut für Quantenelektronik, der Geschichte eine überraschende Wendung hinzu. Einschreiben Naturberichten sie von einer Quantenpumpe, die ohne periodische Ansteuerung von außen auskommt – eine Pumpwicklung ohne Kurbel.

Die Suche nach neuen Rätseln

Das Team von Esslinger und Donner arbeitet nicht mit Elektronen in Festkörpermaterialien, sondern mit Atomen, die auf komplexe Strukturen beschränkt sind, die durch sich kreuzende Laserstrahlen erzeugt werden. Solche synthetischen Kristalle haben den Vorteil, dass sowohl die Atome als auch das Kristallgitter mit höchster Präzision und großer Flexibilität kontrolliert werden können. Die Plattform kann dann genutzt werden, um entweder bekannte Effekte besser zu verstehen oder Szenarien zu generieren, in denen sich Quantensysteme auf unvorhergesehene Weise verhalten und idealerweise auf neue Phänomene der Quantenphysik hinweisen. Und genau das ist dem Team in der jetzt berichteten Arbeit gelungen.

Ein wichtiger Bestandteil ihres Experiments ist ein optischer Hohlraum, in dem der synthetische Kristall gebildet wird. Der Hohlraum dient dazu, eine Kopplung zwischen den Atomen und den beteiligten Lichtfeldern zu vermitteln. Darüber hinaus bilden Photonen, die aus dem Hohlraum austreten, einen Dissipationskanal, über den die Experimentatoren ebenfalls eine hervorragende Kontrolle haben. Ein solches System mit Dissipation wird als offenes Quantensystem bezeichnet. Wichtig ist, dass Dissipation bei geeigneter Kontrolle eher ein Vorteil als ein Ärgernis sein kann: 2019 fanden Mitglieder der Esslinger-Gruppe heraus, dass aus dem Hohlraum austretende Photonen verschiedene Konfigurationen eines synthetischen Kristalls koppeln können, was zu einer Dynamik führt, die zwischen diesen Konfigurationen oszilliert. Diese Arbeit wurde veröffentlicht in Wissenschaft im Jahr 2020.

Aufstieg im Kreis

Die große Überraschung, die zu der nun veröffentlichten Arbeit führte, war die experimentelle Beobachtung, dass sich die in der synthetischen Kristallstruktur eingeschlossenen Atome zu bewegen begannen. Durch mehrere Messungen und numerische Simulationen identifizierten die Forscher den Mechanismus hinter der atomaren Bewegung: Der synthetische Kristall wand sich periodisch zwischen verschiedenen Strukturen, sodass der Massenmittelpunkt der Atome in jedem Zyklus um einen festen Betrag räumlich verschoben wurde – in faszinierende Analogie zur chiralen Aufwärtsbewegung in einer archimedischen Pumpe. Durch die sorgfältige Analyse des Lichtfeldes, das aus der Kavität austritt, gewannen die ETH-Physiker detaillierte Einblicke in den Mechanismus und charakterisierten das Zusammenspiel zwischen Kavitätsdissipation und quantisiertem Pumpen.

Wer dreht die Kurbel?

Das Einzigartige an diesen Experimenten im Vergleich zu früheren Realisierungen von Quantenpumpen – und im Gegensatz dazu, wie wir uns eine Pumpe im Allgemeinen vorstellen – ist, dass ein Teilchenstrom ohne externe periodische Ansteuerung beobachtet wird. Was den Strom antreibt, ist die Dissipation aus dem Hohlraum, was zu einem „selbstschwingenden“ Pumpen führt. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass die Atomkonfigurationen, zwischen denen das System oszilliert, sich auf einer sehr grundlegenden Ebene unterscheiden, indem sie unterschiedliche sogenannte Topologien besitzen. Praktisch bedeutet dies, dass der gezeigte Transportmechanismus stabil gegenüber äußeren Störungen und auch robust gegenüber der detaillierten Form des Pumpprotokolls sein sollte.

Das sind spannende Erkenntnisse. Topologie und offene Quantensysteme sind beides hochaktive Bereiche der modernen Physik. Die Verbindung zwischen den beiden verspricht nicht nur eine Testumgebung für die Quanten-Vielteilchentheorie, sondern auch ein praktisches Werkzeug zur Realisierung exotischer Zustände der Quantenmaterie.