Atomowo! Podgrzany układ kwantowy może służyć za uniwersalny próbnik egzotycznych stanów materii

Od prac Pitagorasa poświęconych harmonice do odkrycia serii Balmera w fizyce atomowej – kwantyzacja dostrzegalnych właściwości fizycznych jest jednym z filarów naszego poznania i doceniania otaczającego świata.

W ramach badań wspieranych przez UE odkryto nową formę kwantyzacji, w której wykorzystuje się współczynnik podgrzewania wcześniej wstrząśniętego z zewnątrz układu kwantowego. Opublikowany w czasopiśmie »ScienceAdvances« artykuł pt. „Probing topology by “heating”: Quantized circular dichroism in ultracold atoms” opisuje – jak ujęli to autorzy – „intrygującą manifestację topologii”.

Aby wyjaśnić swoją pracę, naukowcy posłużyli się następującą analogią: kiedy wstawimy kostkę lodu do kuchenki mikrofalowej i włączymy ją, cząsteczki wody zostaną wzbudzone. Prowadzi to do topnienia lodu, który przechodzi ze stanu stałego w ciekły. Podczas podgrzewania liczba cząsteczek, z których składa się lód stopniowo maleje. Proces ten można ująć ilościowo w postaci współczynnika podgrzewania. W artykule opisującym badania zaznaczono, że w szczególnych okolicznościach współczynnik podgrzewania musi być zgodny ze zgrabnym i precyzyjnym prawem kwantyzacji.

Autorzy wskazują, że podczas podgrzewania układu fizycznego w sposób kontrolowany, z danego stanu topologicznego wyrzucane są cząsteczki (tak jak we wspomnianej kostce lodu) i odpowiadający temu współczynnik podgrzewania w sposób możliwy do udowodnienia spełnia zasady nowego prawa kwantyzacji. Zasadniczym aspektem nowego prawa kwantyzacji jest to, że podyktowane jest ono topologiczną naturą pierwotnego stanu układu.

Bazując na ich uniwersalnym charakterze, właściwości topologiczne są obecnie przedmiotem badań w wielu różnych kontekstach – od ultrazimnych gazów atomowych, przez fotonikę, po układy mechaniczne. Te uzupełniające się i uniwersalne domeny oferują możliwość ujawnienia unikalnych właściwości topologicznych, jak te wynikające ze zmodyfikowanego rozproszenia czy innych kontrolowanych interakcji. Na przykład ultrazimne gazy badano poprzez wizualizowanie poprzecznego przemieszczania się chmury atomowej w reakcji na przykładaną siłę.

Do odkrycia opisanego w artykule przyczynił się projekt TOPOCOLD, realizowany pod auspicjami finansowanego ze środków UE projektu UQUAM, przede wszystkim poprzez stwierdzenie, że współczynnik zubożenia wypełnionych pasm Blocha może spełniać zasady prawa kwantyzacji narzucane przez topologię.

Zespół utrzymuje, że pomiary współczynnika zubożenia są skutecznym i uniwersalnym próbnikiem porządku topologicznego w materii kwantowej ze względu na efekt kwantyzowany. Wyniki wskazują na potrzebę izolowania masowej reakcji od wszelkich szkodliwych skutków powiązanych z trybem krawędzi, kiedy to zaczynają wchodzić w grę konfiguracje ultrazimnych atomów. Autorzy proponują wykorzystanie platformy fizycznej składającej się z ultrazimnego gazu atomów pułapkowanych w sieci optycznej (strukturze periodycznej tworzonej przez światło). Takie konfiguracje uważa się za idealny zestaw narzędzi do inżynierii kwantowej materii topologicznej oraz do wdrażania nowych rodzajów pomiarów.

Wsparcie projektu TOPOCOLD (Manipulation of topological phases with cold atoms) pomaga w identyfikowaniu realistycznych konfiguracji sieci optycznej, na której bazują nowe topologicznie uporządkowane stany, w oparciu o te technologie, które są obecnie opracowywane w eksperymentach z zimnymi atomami. Projekt UQUAM (Ultracold Quantum Matter) gromadzi naukowców posiadających uzupełniającą się specjalistyczną wiedzę w dziedzinie optyki kwantowej, fizyki atomów i materii skondensowanej oraz informatyki. Ich celem jest posunięcie naprzód interdyscyplinarnej dziedziny technologii kwantowych poprzez skorzystanie z najnowszych spektakularnych postępów w kontrolowaniu układów ultrazimnych atomów i układów molekularnych.

Więcej informacji:
strona projektu TOPOCOLD w serwisie CORDIS
strona projektu UQUAM w serwisie CORDIS
witryna projektu UQUAM