中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點實驗室與新加坡國立大學(xué)龔江濱教授的理論研究組合作，利用金剛石中的單自旋量子模擬器，首次實現(xiàn)了廣義索利斯泵的實驗觀測。研究成果發(fā)表在3月19日的《物理評論快報》上 [Phys. Rev. Lett. 120, 120501 (2018)]。
相傳兩千多年前，阿基米德設(shè)計了一種機械裝置，用于把水從低處抽往高處。該裝置被稱為阿基米德螺旋泵，它的主體由一個圓筒和筒內(nèi)的一長串螺旋葉片構(gòu)成，葉片每旋轉(zhuǎn)一周，筒內(nèi)的水就往上推進一個螺距。1983年，著名凝聚態(tài)物理學(xué)家索利斯（D. J. Thouless）提出了一種量子泵：考慮一個束縛著微觀粒子的一維無限長的周期勢阱，足夠緩慢地調(diào)整該勢阱的形狀，同時保持其空間周期性，并且使得調(diào)整結(jié)束時勢阱復(fù)原。索利斯指出，該過程引發(fā)的粒子輸運是整數(shù)，該整數(shù)與參數(shù)空間的拓撲性質(zhì)有關(guān)。此現(xiàn)象被稱為索利斯泵，相當(dāng)于整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的動態(tài)版本。人們對這一現(xiàn)象進行了廣泛研究，索利斯本人也因在拓撲相變和拓撲相領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)而獲得了2016年諾貝爾物理學(xué)獎。
在索利斯的研究中，不考慮初態(tài)在不同能帶間的量子相干，也就是說，對初態(tài)的帶間相干予以忽略。但是作為量子體系的一個基本特征，量子相干是許多量子物理現(xiàn)象的根源。因此，一個問題便自然出現(xiàn)了：對于索利斯泵而言，如果初態(tài)有帶間相干會如何？近年來有理論研究表明，初態(tài)的帶間相干會對輸運的粒子數(shù)產(chǎn)生貢獻，而且這一部分貢獻具有獨特的性質(zhì)：它是連續(xù)可調(diào)的，既依賴于能隙的大小，也依賴于含時參數(shù)在泵開啟階段的變化速率。此現(xiàn)象被稱為廣義索利斯泵，它與阿基米德螺旋泵略有相似之處——葉片每旋轉(zhuǎn)一周所泵出的水量也可以被連續(xù)地調(diào)節(jié)。與之形成對比的是，在傳統(tǒng)的索利斯泵中，輸運的粒子數(shù)受制于拓撲性質(zhì)，不能被連續(xù)地調(diào)節(jié)。
圖：兩能帶模型上的索利斯泵。這里的E、k和τ分別是能量、準(zhǔn)動量和歸一化的時間。(a)在傳統(tǒng)的索利斯泵中，初態(tài)沒有帶間相干，輸運的粒子數(shù)Qa+Qb由每個能帶的布居數(shù)分別貢獻。(b)在廣義索利斯泵中，初態(tài)有帶間相干，輸運的粒子數(shù)除了由每個能帶的布居數(shù)分別貢獻之外，還有來自初態(tài)帶間相干的貢獻QIBC。
本實驗工作基于金剛石內(nèi)的單個氮-空位缺陷。這是一種固態(tài)單自旋量子體系，易于初始化、操控和讀出，是當(dāng)前發(fā)展較為成熟的量子調(diào)控實驗體系，在構(gòu)建室溫量子計算機和實現(xiàn)量子精密測量等方面具有良好的應(yīng)用前景。實驗中，研究人員利用激光脈沖對單個電子自旋進行初始化和讀出，通過精心設(shè)計的微波脈沖對自旋加以精確操控，由此構(gòu)造出兩能帶模型并制備出帶間相干最大的初態(tài)，進而演示了廣義索利斯泵。實驗結(jié)果展現(xiàn)了這種新型量子泵的特性，即輸運的粒子數(shù)可以被連續(xù)地調(diào)節(jié)，依賴于能隙的大小以及含時參數(shù)的初始變化速率。該工作豐富了量子泵與量子控制的研究，并且有望應(yīng)用于量子相變或拓撲相變的探測。
上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院、科技部和教育部的支持。