Uma bomba quântica sem manivela

Jun 27, 2023

22 de agosto de 2022

por ETH Zurique

As bombas, em poucas palavras, são dispositivos que utilizam movimentos cíclicos para obter o transporte estável de alguma carga. Em uma bomba de bicicleta, os movimentos repetidos de um pistão para cima e para baixo criam um fluxo de ar. Em uma bomba de parafuso arquimediana, a água é transferida entre os reservatórios girando uma manivela. Conceitos relacionados também foram explorados em sistemas quânticos, em particular para transportar elétrons um a um através de materiais no estado sólido, gerando assim uma corrente quantizada.

Agora, uma equipe liderada pelo Dr. Tobias Donner, um cientista sênior do grupo do Prof. Tilman Esslinger no Instituto de Eletrônica Quântica, adiciona uma reviravolta surpreendente à história. Escrevendo na Nature, eles relatam uma bomba quântica que não requer nenhum acionamento periódico do lado de fora - uma bomba sem manivela.

A equipe de Esslinger e Donner não trabalha com elétrons em materiais de estado sólido, mas sim com átomos confinados a estruturas complexas criadas pela interseção de feixes de laser. Esses cristais sintéticos têm a vantagem de que tanto os átomos quanto a rede cristalina podem ser controlados com grande precisão e grande flexibilidade. A plataforma pode então ser aproveitada para obter uma melhor compreensão dos efeitos conhecidos ou para gerar cenários nos quais os sistemas quânticos se comportam de maneiras imprevistas, idealmente apontando para novos fenômenos da física quântica. E foi precisamente isso que a equipa conseguiu no trabalho agora relatado.

Um ingrediente-chave de seu experimento é uma cavidade óptica na qual o cristal sintético é formado. A cavidade serve para mediar um acoplamento entre os átomos e os campos de luz envolvidos. Além disso, os fótons que vazam da cavidade constituem um canal de dissipação, sobre o qual os experimentadores também têm excelente controle. Tal sistema incluindo dissipação é conhecido como um sistema quântico aberto. É importante ressaltar que, quando adequadamente controlada, a dissipação pode ser um trunfo e não um incômodo: em 2019, membros do grupo Esslinger descobriram que os fótons que vazam da cavidade podem acoplar diferentes configurações de um cristal sintético, dando origem a uma dinâmica oscilante entre essas configurações. Esse trabalho foi publicado na Science em 2020.

A grande surpresa que levou ao trabalho agora publicado foi a observação experimental de que os átomos presos na estrutura cristalina sintética começaram a se mover. Realizando várias medições e realizando simulações numéricas, os pesquisadores identificaram o mecanismo por trás do movimento atômico: o cristal sintético foi periodicamente enrolado entre diferentes estruturas, de modo que o centro de massa dos átomos é deslocado espacialmente por uma quantidade fixa em cada ciclo - em analogia intrigante com o movimento quiral ascendente em uma bomba arquimediana. Analisando cuidadosamente o campo de luz vazando da cavidade, os físicos do ETH obtiveram informações detalhadas sobre o mecanismo e caracterizaram a interação entre a dissipação da cavidade e o bombeamento quantizado.

O que é único nesses experimentos em comparação com as realizações anteriores de bombas quânticas - e em contraste com a forma como imaginamos uma bomba em geral - é que uma corrente de partícula é observada sem qualquer acionamento periódico externo. O que impulsiona a corrente é a dissipação da cavidade, levando ao bombeamento "auto-oscilante". Neste contexto, é importante que as configurações atômicas entre as quais o sistema oscila sejam distintas em um nível muito fundamental, na medida em que possuem diferentes chamadas topologias. Em termos práticos, isso significa que o mecanismo de transporte demonstrado deve ser estável contra perturbações externas e também robusto em relação à forma detalhada do protocolo de bombeamento.

Essas são descobertas empolgantes. A topologia e os sistemas quânticos abertos são áreas altamente ativas da física moderna. A conexão entre os dois promete fornecer não apenas um campo de testes para a teoria quântica de muitos corpos, mas também uma ferramenta prática para a realização de estados exóticos da matéria quântica.