Οι μικροσκοπικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στους υπεραγωγούς είναι εξαιρετικά δύσκολο να παρατηρηθούν άμεσα. Για τον λόγο αυτό, ερευνητές του RPTU University of Kaiserslautern-Landau υλοποίησαν μια κβαντική προσομοίωση του φαινομένου Josephson, διαχωρίζοντας δύο συμπυκνώματα Bose-Einstein (BEC) με τη βοήθεια ενός εξαιρετικά λεπτού οπτικού φράγματος.
Τα χαρακτηριστικά βήματα Shapiro παρατηρήθηκαν στο ατομικό σύστημα, με τη μελέτη να δημοσιεύεται στο περιοδικό Science.
Το πείραμα πραγματοποιήθηκε σε θάλαμο κενού, όπου δημιουργούνται υπέρψυχρα ατομικά νέφη σε θερμοκρασία μόλις 30 nK μέσω ψύξης με λέιζερ.
Τι είναι μια επαφή Josephson και γιατί είναι σημαντική
Δύο υπεραγωγοί που χωρίζονται από ένα εξαιρετικά λεπτό μονωτικό στρώμα συνθέτουν μια επαφή Josephson. Παρά την απλότητά της, φιλοξενεί ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο που αποτελεί σήμερα βασικό εργαλείο της σύγχρονης τεχνολογίας. Οι επαφές Josephson βρίσκονται στον πυρήνα πολλών κβαντικών υπολογιστών και επιτρέπουν μετρήσεις εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας, όπως η ανίχνευση πολύ ασθενών μαγνητικών πεδίων.
Χρησιμοποιούνται, μεταξύ άλλων, στη μαγνητοεγκεφαλογραφία (MEG), δηλαδή στη ιατρική διάγνωση για την εξέταση των μαγνητικών πεδίων του εγκεφάλου.
Ωστόσο, οι διεργασίες σε μια επαφή Josephson συμβαίνουν στο επίπεδο μεμονωμένων κβάντων και είναι πρακτικά αδύνατο να παρατηρηθούν άμεσα στο εσωτερικό του υπεραγωγού.
Κβαντική προσομοίωση για πρόσβαση στο μικροσκοπικό επίπεδο
Για να γίνουν αυτές οι διεργασίες πειραματικά προσβάσιμες, οι ερευνητές χρησιμοποιούν την κβαντική προσομοίωση. Πρόκειται για τη μεταφορά ενός πολύπλοκου κβαντικού συστήματος σε ένα άλλο, πιο εύκολα παρατηρήσιμο. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν να μελετηθούν φαινόμενα που είναι σχεδόν απρόσιτα στο φυσικό τους περιβάλλον.
Στο RPTU, η πειραματική ομάδα του Herwig Ott εφάρμοσε αυτή την αρχή στο φαινόμενο Josephson. Αντί για υπεραγωγούς, χρησιμοποίησαν ένα υπέρψυχρο αέριο ατόμων, δηλαδή ένα συμπύκνωμα Bose–Einstein. Δύο τέτοια συμπυκνώματα χωρίστηκαν με ένα πολύ λεπτό οπτικό φράγμα, που δημιουργήθηκε από εστιασμένη δέσμη λέιζερ και κινήθηκε περιοδικά.
Με αυτόν τον τρόπο προσομοιώθηκε ό,τι συμβαίνει σε μια υπεραγώγιμη επαφή Josephson υπό μικροκυματική ακτινοβολία, η οποία δημιουργεί ένα πρόσθετο εναλλασσόμενο ρεύμα μέσω της επαφής.
Τα βήματα Shapiro ως καθολικό φαινόμενο
Το αποτέλεσμα της κβαντικής προσομοίωσης ήταν εντυπωσιακό. Τα χαρακτηριστικά βήματα Shapiro εμφανίστηκαν και στο ατομικό σύστημα. Πρόκειται για κβαντισμένα πλατώ τάσης, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη βαθμονόμηση της ηλεκτρικής τάσης. Εξαρτώνται μόνο από φυσικές σταθερές και από τη συχνότητα της διαμόρφωσης και αποτελούν τη βάση πάνω στην οποία υλοποιείται παγκοσμίως το πρότυπο του «volt».
«Στο πείραμά μας, καταφέραμε για πρώτη φορά να οπτικοποιήσουμε τις διεγέρσεις που προκύπτουν. Το γεγονός ότι το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται τώρα σε ένα εντελώς διαφορετικό φυσικό σύστημα – ένα σύνολο υπέρψυχρων ατόμων – επιβεβαιώνει ότι τα βήματα Shapiro είναι ένα καθολικό φαινόμενο», δηλώνει ο Ott.
Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με τις θεωρητικές ομάδες των Ludwig Mathey από το Πανεπιστήμιο του Αμβούργου και Luigi Amico από το Technology Innovation Institute στο Αμπού Ντάμπι και αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα κβαντικής προσομοίωσης.
Από τα ηλεκτρόνια στα άτομα και στην atomtronics
Ο Ott συνοψίζει: «Ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο από τη φυσική στερεάς κατάστασης μεταφέρεται σε ένα εντελώς διαφορετικό σύστημα i και όμως η ουσία του παραμένει η ίδια. Αυτό χτίζει γέφυρες ανάμεσα στους κβαντικούς κόσμους των ηλεκτρονίων και των ατόμων».
Στο μέλλον, η ομάδα σκοπεύει να συνδέσει πολλά τέτοια «δομικά στοιχεία» μεταξύ τους, «για να κατασκευάσει πραγματικά κυκλώματα για άτομα». Αντί για ηλεκτρόνια, θα ρέουν άτομα, σε ένα πεδίο έρευνας γνωστό ως atomtronics.
«Τέτοια κυκλώματα είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για την παρατήρηση συνεκτικών φαινομένων, δηλαδή κυματοειδών επιδράσεων», σημειώνει ο Erik Bernhart, ο οποίος πραγματοποίησε τα πειράματα ως υποψήφιος διδάκτορας. Επιπλέον, η κίνηση των ατόμων μπορεί να «φαίνεται» άμεσα στα ατομικά κυκλώματα, κάτι που είναι πολύ δυσκολότερο με τα ηλεκτρόνια στα στερεά.
«Θέλουμε επίσης να αναπαράγουμε και άλλα θεμελιώδη εξαρτήματα της ηλεκτρονικής με άτομα και να τα κατανοήσουμε με ακρίβεια στο μικροσκοπικό επίπεδο».
Περισσότερες πληροφορίες: Erik Bernhart et al, Παρατήρηση βημάτων Shapiro σε μια υπερψυχρή ατομική σύνδεση Josephson, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ads9061
Πληροφορίες περιοδικού: Επιστήμη
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο Kaiserslautern-Landau