El transporte de partículas generalmente se induce aplicando un gradiente externo a un sistema. El agua, por ejemplo, fluye por una pendiente y la corriente eléctrica se genera aplicando un voltaje. Pero ya en la antigüedad, otra forma de generar un movimiento direccional eraconocido: por modulación periódica de un sistema, como se puede ver en el famoso tornillo de Arquímedes. Hace más de 30 años, el físico escocés David Thouless predijo que también debería ocurrir un fenómeno similar en los sistemas de mecánica cuántica, llamado bombeo topológico.Un grupo de investigadores de la Ludwig-Maximilians-Universität München y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, dirigido por el profesor Immanuel Bloch y en colaboración con el físico teórico Oded Zilberberg ETH Zürich, han implementado con éxito una bomba de carga topológica con ultrafrío.átomos en una red óptica por primera vez.
En 1983, inspirado por el efecto Hall cuántico bidimensional recientemente descubierto, por el cual Klaus von Klitzing recibió el premio Nobel de física en 1985, Thouless tuvo la idea de que también se podía observar un fenómeno similar en unidimensionalsistemas si sus parámetros varían periódicamente. Esta versión dinámica del efecto Hall cuántico permite el transporte de partículas sin un sesgo externo. Debido a sus propiedades especiales, llamadas topológicas, este transporte se produce de forma cuantificada para que las partículas se muevan exactamente por undistancia bien definida por ciclo. Además, el transporte es extremadamente robusto con respecto a perturbaciones externas y no se ve afectado por pequeños cambios en el sistema. Esto es de particular interés desde un punto de vista tecnológico, ya que podría facilitar una definición más precisadel estándar para corriente eléctrica. A pesar de los esfuerzos duraderos, sin embargo, la realización de una bomba de carga tan cuantificada ha permanecido fuera del alcancep hasta ahora.
Los átomos ultrafríos en redes ópticas constituyen un sistema modelo casi ideal para tales experimentos, ya que pueden controlarse y detectarse muy bien. Dentro de un vacío, los átomos pueden enfriarse a una temperatura cercana al cero absoluto y luego transferirse a un potencial periódicoque se crea por la interferencia de múltiples rayos láser. Una superrejilla es un tipo especial de estas redes ópticas que se crea al superponer dos ondas estacionarias de luz con diferentes periodicidades. En el experimento en Munich, los períodos de las redes se eligieron en talesde una manera que difieren en un factor de dos.
Con una superredes como esta, la idea de Thouless puede realizarse y los átomos pueden transportarse en la red. Para hacer esto, las dos ondas estacionarias se mueven una respecto de la otra desplazando la red con el período más largo en unodirección. Esto lleva a una modulación periódica tanto de la profundidad de los sitios de la red como de la altura de las barreras entre ellos. Una partícula clásica no se movería en este caso ya que la posición de los sitios de red individuales no cambia, perosolo se mueven hacia arriba y hacia abajo. En contraste con esto, el movimiento de un átomo a una temperatura tan baja se describe mediante una onda mecánica cuántica. Por lo tanto, puede seguir la red en movimiento al hacer un túnel a través de la barrera entre los sitios de la red vecina.
Thouless ya podría probar que en ciertas situaciones el movimiento de los átomos solo puede ocurrir de manera cuantificada, de modo que su posición cambie en un múltiplo entero del período de la red móvil. Este es el caso si los átomos se localizan inicialmente en individuospozos dobles, por ejemplo. Los científicos de Munich podrían darse cuenta de tal situación en sus experimentos aprovechando la interacción repulsiva entre los átomos que asegura que haya exactamente un átomo en cada pozo doble. Aunque tal estado es en principio aislante,es decir, los átomos no pueden moverse, pueden ser transportados a través de la red utilizando la modulación descrita anteriormente. Al observar los átomos con un microscopio, los científicos podrían mostrar por primera vez que el movimiento de los átomos por ciclo de bombeo se cuantifica y ocurreen pasos discretos debido a la tunelización de los átomos.
Además, podrían mostrar que este movimiento es independiente de la implementación específica del ciclo de bombeo, como por ejemplo la profundidad de los potenciales. Esto se debe a la naturaleza topológica del transporte que lo hace particularmente robusto contra perturbaciones externas. En otroSe estudió una serie de experimentos sobre el comportamiento de los átomos en estados excitados en la red. En este caso, los investigadores pudieron observar el notable fenómeno de que los átomos en ciertos estados se movían en la dirección opuesta al movimiento de la red. "Este comportamiento ilustra claramenteorigen mecánico cuántico de este proceso de transporte, ya que algo como esto sería impensable en un sistema clásico ", dice Michael Lohse, un estudiante de doctorado que participó en los experimentos de Munich.
Estas mediciones demuestran la importancia de las propiedades topológicas para el comportamiento de los sistemas físicos de una manera muy clara y abren la ruta para una variedad de experimentos adicionales. Una bomba como esta no solo puede usarse para transportar partículas, sino que, por ejemplo, podría modificarsede tal manera que solo transporta el llamado giro, que es el momento angular intrínseco de los átomos, mientras que los átomos en sí no se mueven. Además, al extender el esquema de bombeo a dos direcciones, sería posible estudiar efectos que normalmentesolo puede ocurrir en sistemas de cuatro dimensiones.
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Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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