Bombas, em poucas palavras, são dispositivos que utilizam o movimento cíclico para atingir o transporte constante de alguma carga. Em uma bomba de bicicleta, os movimentos repetidos para cima e para baixo de um pistão criam um fluxo de ar. Em uma bomba de parafuso de Arquimedes, a água é transferida entre os reservatórios girando uma manivela. Conceitos relacionados também foram explorados em sistemas quânticos, em particular para o transporte de elétrons um a um através de materiais de estado sólido, gerando assim uma corrente quantizada.
Agora, uma equipe liderada pelo Dr. Tobias Donner, Cientista Sênior do grupo do Prof. Tilman Esslinger do Instituto de Eletrônica Quântica, adiciona uma reviravolta surpreendente à história. Escrevendo na Natureza , eles relatam uma bomba quântica que não requer nenhum acionamento periódico do lado de fora - um enrolamento de bomba sem a manivela.

A busca por novos quebra-cabeças

A equipe de Esslinger e Donner trabalha não com elétrons em materiais de estado sólido, mas 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 precisão requintada 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 é justamente isso que a equipe 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, fótons vazando para fora 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 ativo e não um incômodo:em 2019, membros do grupo Esslinger descobriram que fótons vazando da cavidade podem acoplar diferentes configurações de um cristal sintético, dando origem a dinâmicas oscilando entre essas configurações. Esse trabalho foi publicado em Science em 2020.

Avanço andando em círculos

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 estava periodicamente enrolando 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 de Arquimedes. Analisando cuidadosamente o campo de luz vazando da cavidade, os físicos da ETH obtiveram informações detalhadas sobre o mecanismo e caracterizaram a interação entre a dissipação da cavidade e o bombeamento quantizado.

Quem gira a manivela?

O que é único nesses experimentos em comparação com 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 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.

Estas são descobertas emocionantes. A topologia e os sistemas quânticos abertos são áreas altamente ativas da física moderna. A conexão entre os dois promete fornecer não apenas um teste para a teoria quântica de muitos corpos, mas também uma ferramenta prática para realizar estados exóticos da matéria quântica. + Explorar mais

Torção inesperada em um sistema quântico