محققان یک شبکه نوری را به چرخ دنده ‌ای تبدیل کرده‌اند که اتم‌ها را از یک مکان به مکان دیگر حرکت می‌دهد.

چرخ دنده وسیله ‌ای است که از یک نیروی محرکه دوره‌ای (یا تصادفی)، برای جسم حرکت خالص رو به جلو ایجاد می کند. اگر چه چرخ دنده ‌ها در ساعت‌ها و سلول‌ها رایج هستند (به: توقف موتور مولکولی مراجعه کنید)، اما ساختن آنها برای سیستم‌های کوانتومی سخت است. اکنون محققان چرخ دنده ای کوانتومی برای مجموعه ای از اتم های سرد محبوس شده در یک شبکه نوری را نشان داده اند [1]. با تغییر میدان‌های نوری شبکه به روشی وابسته به زمان، محققان نشان داده اند که می‌توانند اتم‌ها را به طور منسجم، بدون ایجاد اختلال در حالت‌های کوانتومی اتم‌ها، از یک مکان شبکه به مکان بعدی حرکت دهند.

یک نوع از چرخ دنده (چرخ دنده هامیلتونی) با ایجاد فشارهای دوره‌ای و بدون تلفات به یک گاز، یا سیستم های چند ذره ای دیگر، کار می کند. برای ذراتی که در حالت‌های اولیه خاصی شروع می‌شوند، فشارها با حرکتشان زمان‌بندی می‌شود و حرکت حاصل در یک جهت رو به جلوی خاص است. برای ذرات در حالت‌های دیگر، فشارها هماهنگ نیستند و ذرات در مسیرهای آشفته و بدون جهت ترجیحی حرکت می‌کنند.

چرخ دنده ‌های هامیلتونی قبلاً برای سیستم‌های کوانتومی نشان داده شده بودند، اما برای آن چرخ دنده ‌ها، ذرات نهایتا در فضا پخش میشدند. چرخ دنده ای که توسط دیوید گوری-ادلین David Guéry-Odelin از دانشگاه تولوز فرانسه و همکارانش طراحی شده است، کنترل جهت گیری دقیق تری دارد. برای این نمایش، محققان 105 اتم روبیدیوم را در پتانسیل تناوبی یک شبکه نوری قرار دادند. با اعمال مدولاسیون‌های خاص تنظیم‌شده برای این پتانسیل، آنها نشان دادند که اتم‌ها در مراحل مجزا از یک نقطه شبکه به نقطه دیگر حرکت می‌کنند. در پایان هر مرحله، اتم ها در حالت پایه خود آرام می گرفتند. گوری-ادلین می گوید که این انتقال خوش-تعریف می تواند کاربردهای بالقوه‌ای در کنترل امواج ماده برای آزمایش های کوانتومی داشته باشد.

1- N. Dupont et al., “Hamiltonian ratchet for matter-wave transport,” Phys. Rev. Lett. 131, 133401 (2023).

منبع:

Quantum Ratchet Made Using an Optical Lattice