Ricerca | Una ricerca del Dipartimento di Fisica sulla prestigiosa rivista "Nature Reviews Physics"

Fisici e ingegneri di tutto il mondo sono costantemente impegnati a trovare modi per migliorare le prestazioni dei dispositivi elettronici, riducendo l'energia dissipata, ed a questo scopo, recentemente si sta facendo strada l’impiego delle tecnologie quantistiche. In un conduttore una corrente continua è solitamente associata ad un flusso dissipativo di elettroni, in risposta ad una tensione applicata. Nei sistemi quantistici, invece, il trasporto senza dissipazione può essere indotto tramite la variazione lenta e ciclica dei parametri del sistema, anche in assenza di una differenza di potenziale. Un esempio è la pompa quantistica, o pompa di Thouless, la versione quanto-meccanica della famosa vite di Archimede in cui viene spostata una grande quantità di acqua da un livello più basso a uno più alto a seguito della rotazione lenta e periodica dell’elicoide. Nel dispositivo quantistico le particelle, cariche o neutre, sono sottoposte ad un potenziale periodico, variabile lentamente nel tempo. È interessante notare che la carica pompata in un periodo è quantizzata, cioè è un multiplo di un numero intero. Essa è collegata a una proprietà intrinseca del sistema, il cosiddetto invariante topologico, ovvero una proprietà geometrica che non cambia quando una forma viene allungata o distorta e, pertanto, è robusta a perturbazioni esterne.

I recenti sviluppi nell’impiego delle pompe quantistiche sono stati riportati in un articolo della prestigiosa rivista Nature Reviews Physics che vede coinvolto il Dipartimento di Fisica dell’Università di Salerno in cui si conduce una ricerca su dispositivi quantistici coordinata dalla prof.ssa Roberta Citro, ed il gruppo di ottica quantistica presso l'Università Ludwig Maximilian di Monaco diretto dalla prof.ssa Monika Aidelsburger. L'articolo descrive in dettaglio diverse pompe quantistiche e discute come esse producano molto meno calore rispetto ai convenzionali generatori di corrente elettrica, rendendole degli ottimi candidati per i futuri dispositivi elettronici quantistici con un consumo energetico significativamente ridotto.

La pompa quantistica ha ricevuto molta attenzione nei sistemi elettronici su scala mesoscopica, cioè dell’ordine di centinaia di nanometri, non solo per il suo potenziale di ridurre la dissipazione di energia, ma anche perché permette di definire lo standard di carica per scopi metrologici o addirittura può essere utilizzata per il calcolo quantistico. Le pompe di Thouless sono state realizzate sperimentalmente in sistemi atomici, fotonici, magneto-meccanici ed elettro-meccanici e altri esempi coprono il campo della spintronica con implicazioni nell'efficienza dell'archiviazione e del trasferimento dei dati.

• Maggiori dettagli possono essere trovati nel lavoro: Thouless pumping and topology Nature Reviews Physics (2023)

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The quantum pump: a device for dissipationless transport

Physicists and engineers from all around the world are constantly thinking of ways to improve the performance of conventional electronic devices by reducing the dissipated energy and to this aim recently is working its way employing quantum technologies. In a conductor a direct current is usually associated with a dissipative flow of electrons in response to an applied bias voltage. In quantum systems, however, a dissipationless transport can be induced via adiabatic cyclic variation of the system parameters in the absence of any external bias. An example is the quantum pump, or Thouless pump, the quantum version of the famous Archimede’s screw in which water from a low-level is pushed up the tube by the slow and periodic rotation of the helicoid. The quantum device is obtained slowly time periodic potential. Interestingly, the charge pumped after a period is quantized and is connected to a bulk property of the system, the so called topological invariant, i.e. a property of a geometric shape that does not change when the shape is stretched or distorted and thus is robust to external perturbations.

The exciting developments in the exploitation of quantum pumps have been reported in an article of the prestigious journal Nature Reviews Physics involving the Department of Physics at University of Salerno, where a research on quantum devices is coordinated by prof. Roberta Citro, and the Quantum Optics group at Ludwig Maximilian University of Munich, led by prof. Monika Aidelsburger. The article describes in details various quantum pumps, arguing how they produce a lot less heat than conventional electric currents generators, making them promising candidates for future electronic devices with significantly reduced power consumption.

Quantum pumping has received much attention in mesoscopic electronic systems, mainly owing to its potential of reducing the dissipation of energy as wasteful heat, for defining a better current standard for metrological purpose or even being used for quantum computing. Recent experimental realizations of Thouless pumps have been observed in photonics, magneto-mechanical and electro-mechanical systems and other examples cover the fields of spintronics with implications in the efficiency of data storage and transfer.

More details can be found here: Thouless pumping and topology Nature Reviews Physics (2023)

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Figura: Pompa classica e quantistica. a, la vite di Archimede. b, Schematizzazione di due potentiali sovrapposti con la stessa periodicità. Uno dei due potenziali si muove con una velocità piccola rispetto all’altro per realizzare la pompa quantistica | Pannello a illustrated da C. Hohmann (MCQST).

Figure: Classical and quantum pumping. a, Illustration of a classical Archimedes screw. b, Schematic drawing of two periodic potentials that share the same periodicity. One of the two potentials is moving with a small velocity with respect to the other to realize a quantum pump. Panel a illustrated by C. Hohmann (MCQST).

Pubblicato il 17 Gennaio 2023