中国科大首次实现广义索利斯泵的实验观测

中国科学技术大学杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室与新加坡国立大学龚江滨教授的理论研究组合作，利用金刚石中的单自旋量子模拟器，首次实现了广义索利斯泵的实验观测。研究成果发表在3月19日的《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 120, 120501 (2018)]。 

相传两千多年前，阿基米德设计了一种机械装置，用于把水从低处抽往高处。该装置被称为阿基米德螺旋泵，它的主体由一个圆筒和筒内的一长串螺旋叶片构成，叶片每旋转一周，筒内的水就往上推进一个螺距。1983年，著名凝聚态物理学家索利斯（D. J. Thouless）提出了一种量子泵：考虑一个束缚着微观粒子的一维无限长的周期势阱，足够缓慢地调整该势阱的形状，同时保持其空间周期性，并且使得调整结束时势阱复原。索利斯指出，该过程引发的粒子输运是整数，该整数与参数空间的拓扑性质有关。此现象被称为索利斯泵，相当于整数量子霍尔效应的动态版本。人们对这一现象进行了广泛研究，索利斯本人也因在拓扑相变和拓扑相领域的发现而获得了2016年诺贝尔物理学奖。 

在索利斯的研究中，不考虑初态在不同能带间的量子相干，也就是说，对初态的带间相干予以忽略。但是作为量子体系的一个基本特征，量子相干是许多量子物理现象的根源。因此，一个问题便自然出现了：对于索利斯泵而言，如果初态有带间相干会如何？近年来有理论研究表明，初态的带间相干会对输运的粒子数产生贡献，而且这一部分贡献具有独特的性质：它是连续可调的，既依赖于能隙的大小，也依赖于含时参数在泵开启阶段的变化速率。此现象被称为广义索利斯泵，它与阿基米德螺旋泵略有相似之处——叶片每旋转一周所泵出的水量也可以被连续地调节。与之形成对比的是，在传统的索利斯泵中，输运的粒子数受制于拓扑性质，不能被连续地调节。 

图：两能带模型上的索利斯泵。这里的E、k和τ分别是能量、准动量和归一化的时间。(a)在传统的索利斯泵中，初态没有带间相干，输运的粒子数Q_a+Q_b由每个能带的布居数分别贡献。(b)在广义索利斯泵中，初态有带间相干，输运的粒子数除了由每个能带的布居数分别贡献之外，还有来自初态带间相干的贡献Q_IBC。 

本实验工作基于金刚石内的单个氮-空位缺陷。这是一种固态单自旋量子体系，易于初始化、操控和读出，是当前发展较为成熟的量子调控实验体系，在构建室温量子计算机和实现量子精密测量等方面具有良好的应用前景。实验中，研究人员利用激光脉冲对单个电子自旋进行初始化和读出，通过精心设计的微波脉冲对自旋加以精确操控，由此构造出两能带模型并制备出带间相干最大的初态，进而演示了广义索利斯泵。实验结果展现了这种新型量子泵的特性，即输运的粒子数可以被连续地调节，依赖于能隙的大小以及含时参数的初始变化速率。该工作丰富了量子泵与量子控制的研究，并且有望应用于量子相变或拓扑相变的探测。 

上述研究得到了国家自然科学基金委、中科院、科技部和教育部的支持。 

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.120501

（中科院微观磁共振重点实验室、物理学院、量子创新研究院、科研部）