В 1983 году, вдохновленный недавно обнаруженным двумерным квантовым эффектом Холла, за который Клаус фон Клитцинг был удостоен Нобелевской премии по физике в 1985 году, Таулес придумал идею, что подобное явление также может наблюдаться в одномерных системах, если их параметры периодически меняются. Эта динамическая версия квантового эффекта Холла позволяет переносить частицы без внешнего смещения. Благодаря своим особым, так называемым топологическим свойствам, этот перенос происходит квантованным образом, так что частицы перемещаются точно на строго определенное расстояние за цикл. Кроме того, транспорт чрезвычайно устойчив к внешним возмущениям и не подвержен влиянию небольших изменений системы.
Это представляет особый интерес с технологической точки зрения, поскольку может способствовать более точному определению стандарта электрического тока. Однако, несмотря на длительные усилия, реализация такого квантованного зарядового насоса до сих пор оставалась недосягаемой.
Ультрахолодные атомы в оптических решетках представляют собой почти идеальную модельную систему для таких экспериментов, поскольку ими можно очень хорошо управлять и детектировать.
Внутри вакуума атомы могут быть охлаждены до температуры, близкой к абсолютному нулю, а затем преобразованы в периодический потенциал, который создается интерференцией нескольких лазерных лучей. Сверхрешетка — это особый вид этих оптических решеток, который создается путем наложения двух стоячих световых волн с разной периодичностью. В эксперименте в Мюнхене периоды решеток были выбраны таким образом, чтобы они различались в два раза.
С такой сверхрешеткой может быть реализована идея Таулесса, и атомы могут перемещаться в решетке. Для этого две стоячие волны перемещаются относительно друг друга, сдвигая решетку с более длинным периодом в одном направлении.
Это приводит к периодической модуляции как глубины узлов решетки, так и высоты барьеров между ними. В этом случае классическая частица не будет двигаться, поскольку положение отдельных узлов решетки не меняется, а только перемещаются вверх и вниз. В отличие от этого движение атома при такой низкой температуре описывается квантово-механической волной. Следовательно, он может следовать за движущейся решеткой, туннелируя через барьер между соседними узлами решетки.
Таулесс уже мог доказать, что в определенных ситуациях движение атомов может происходить только квантованным образом, так что их положение изменяется на целое число, кратное периоду движущейся решетки. Это так, если атомы изначально локализованы на отдельных двойных ямах, например. Ученые из Мюнхена смогли реализовать такую ситуацию в своих экспериментах, воспользовавшись отталкивающим взаимодействием между атомами, которое гарантирует, что в каждой двойной лунке будет ровно один атом. Хотя такое состояние в принципе является изолирующим, я.е. атомы не могут двигаться, они могут перемещаться через решетку с использованием модуляции, описанной выше.
Рассматривая атомы в микроскоп, ученые смогли впервые показать, что движение атомов за цикл накачки действительно квантовано и происходит дискретными шагами из-за туннелирования атомов.
Кроме того, они могли показать, что это движение не зависит от конкретной реализации цикла насоса, например, от глубины потенциалов.
Это связано с топологической природой транспорта, что делает его особенно устойчивым к внешним возмущениям. В другой серии экспериментов изучалось поведение атомов в возбужденных состояниях в решетке. В этом случае исследователи могли наблюдать замечательное явление, заключающееся в том, что атомы в определенных состояниях движутся в направлении, противоположном движению решетки. «Такое поведение ясно иллюстрирует квантово-механическое происхождение этого процесса переноса, поскольку нечто подобное было бы немыслимо в классической системе», — говорит Михаэль Лозе, аспирант, принимавший участие в мюнхенских экспериментах.
Эти измерения очень ясно демонстрируют важность топологических свойств для поведения физических систем и открывают путь для множества дальнейших экспериментов.
Подобный насос нельзя использовать только для транспортировки частиц, но, например, его можно модифицировать таким образом, чтобы он переносил только так называемый спин, то есть собственный угловой момент атомов, в то время как сами атомы не перемещаются. Более того, расширив схему накачки на два направления, можно будет изучить эффекты, которые обычно могут иметь место только в четырехмерных системах.