近日，由中國科學院院士杜江峰領導的中國科學技術大學微觀磁共振院重點實驗室與新加坡國立大學教授龔江濱理論研究組合作，利用金剛石中的單自旋量子模擬器，首次實現了廣義索利斯泵的實驗觀測。相關研究成果發表在《物理評論快報》上。
相傳兩千多年前，阿基米德設計了一種機械裝置，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的一長串螺旋葉片構成，葉片每旋轉一周，筒內的水就往上推進一個螺距。1983年，著名凝聚態物理學家索利斯（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周期勢阱，足夠緩慢地調整該勢阱形狀，同時保持其空間周期性，并且使調整結束時勢阱復原。索利斯指出，該過程引發的粒子輸運是整數，該整數與參數空間的拓撲性質有關。此現象被稱為“索利斯泵”，相當于整數量子霍爾效應的動態版本。此后，物理界對這一現象進行了廣泛研究，索利斯本人也因在拓撲相變和拓撲相領域的發現而獲得了2016年的諾貝爾物理學獎。
在索利斯的研究中，不考慮初態在不同能帶間的量子相干，意即對初態的帶間相干予以忽略。但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象的根源。這帶來一個疑問：對于索利斯泵而言，如果初態有帶間相干會如何？近年來有理論研究表明，初態的帶間相干會對輸運的粒子數產生貢獻，而且這一部分貢獻具有獨特的性質：它是連續可調的，既依賴于能隙的大小，也依賴于含時參數在泵開啟階段的變化速率。此現象被稱為“廣義索利斯泵”，它與阿基米德螺旋泵略有相似之處——葉片每旋轉一周所泵出的水量也可以被連續地調節。與之形成對比的是，在傳統的索利斯泵中，輸運的粒子數受制于拓撲性質，不能被連續地調節。
中國科大和新加坡國立大學的這項研究基于金剛石內的單個氮-空位缺陷。這是一種固態單自旋量子體系，易于初始化、操控和讀出，是當前發展較為成熟的量子調控實驗體系，在構建室溫量子計算機和實現量子精密測量等方面具有良好的應用前景。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，通過精心設計的微波脈沖對自旋加以精確操控，由此構造出兩能帶模型并制備出帶間相干最大的初態，進而演示了廣義索利斯泵。實驗結果展現了這種新型量子泵的特性，即輸運的粒子數可以被連續地調節，依賴于能隙的大小以及含時參數的初始變化速率。該研究豐富了量子泵與量子控制的研究，且有望應用于量子相變或拓撲相變的探測。
該研究得到了國家自然科學基金委、中科院、科技部和教育部的資助。
兩能帶模型上的索利斯泵，E、k和τ分別是能量、準動量和歸一化的時間。(a)，在傳統的索利斯泵中，初態沒有帶間相干，輸運的粒子數Qa+Qb由每個能帶的布居數分別貢獻；(b)，在廣義索利斯泵中，初態有帶間相干，輸運的粒子數除了由每個能帶的布居數分別貢獻之外，還有來自初態帶間相干的貢獻QIBC。