Эффект Джозефсона играет центральную роль в современной физике и технологиях, обеспечивая чрезвычайно точные измерения, устанавливая международный стандарт электрического напряжения и выступая важнейшим компонентом многих квантовых компьютеров. При всей их значимости квантовые процессы, происходящие внутри сверхпроводников, крайне сложно наблюдать напрямую.
Преодолевая это препятствие, исследователи из Университета Кайзерслаутерна-Ландау (RPTU) обратились к квантовому моделированию. Вместо изучения электронов внутри твёрдого материала они воссоздали эффект Джозефсона, используя ультрахолодные атомы. Их подход заключался в разделении двух Бозе-Эйнштейновских конденсатов (БЭК) исключительно тонким оптическим барьером, созданным сфокусированным лазерным лучом, который перемещался контролируемым, периодическим образом. Даже в этой атомной системе проявились определяющие признаки эффекта Джозефсона. Эксперимент выявил ступени Шапиро – отчётливые плато напряжения, появляющиеся на кратных величинах управляющей частоты, точно так же, как это происходит в сверхпроводящих устройствах. Работа, опубликованная в журнале Science, служит ярким примером того, как квантовое моделирование может раскрывать скрытую физику.
На первый взгляд, переход Джозефсона имеет простую структуру: два сверхпроводника, разделённые чрезвычайно тонким изолирующим слоем. Тем не менее эта базовая конфигурация порождает мощный квантово-механический эффект, лежащий в основе одних из самых передовых современных технологий. Контакты Джозефсона составляют ядро многих квантовых компьютеров и позволяют измерять необычайно слабые магнитные поля. Эти измерения крайне важны в таких областях, как магнитоэнцефалография (МЭГ) – медицинская методика визуализации, используемая для обнаружения магнитных сигналов, генерируемых активностью человеческого мозга. Точность переходов Джозефсона делает возможной такую чувствительную диагностику.
Сложность с переходами Джозефсона заключается в том, что их поведение разворачивается на уровне отдельных квантов. Внутри сверхпроводника эти микроскопические процессы не так легко отследить или визуализировать. Для их детального изучения физики полагаются на квантовое моделирование – стратегию, которая отображает сложную квантовую систему на другую, более простую для контроля и наблюдения. Воссоздавая существенную физику в новой среде, исследователи могут изучать эффекты, которые в противном случае остались бы скрытыми. Такой подход позволяет учёным проверять фундаментальные идеи и подтверждать, действительно ли определённые виды поведения универсальны для различных физических систем.
В RPTU экспериментальная группа под руководством Хервига Отта применила квантовое моделирование непосредственно к эффекту Джозефсона. Вместо сверхпроводников они работали с ультрахолодным газом атомов, известным как Бозе-Эйнштейновский конденсат. Два таких конденсата были разделены узким оптическим барьером, образованным сфокусированным лазерным лучом. Периодически перемещая этот барьер, исследователи воссоздали условия, аналогичные условиям в сверхпроводящем переходе Джозефсона, подвергающемся микроволновому излучению. В обычных устройствах микроволновое излучение вызывает дополнительный переменный ток через переход Джозефсона. В атомной версии эксперимента движущийся лазерный барьер играл ту же роль, позволяя команде точно имитировать поведение электронных переходов с использованием атомов.
Результаты эксперимента были поразительными. Атомная система продемонстрировала чёткие ступени Шапиро – квантованные плато напряжения, используемые во всём мире для калибровки электрического напряжения. Эти ступени зависят только от фундаментальных констант и частоты приложенной модуляции, что делает их основой глобального стандарта напряжения для «вольта». «В нашем эксперименте мы впервые смогли визуализировать возникающие возбуждения. Тот факт, что этот эффект теперь проявляется в совершенно иной физической системе – ансамбле ультрахолодных атомов – подтверждает, что ступени Шапиро являются универсальным явлением», – заявляет Хервиг Отт.
Исследование проводилось в сотрудничестве с теоретиками Людвигом Матеем из Гамбургского университета и Луиджи Амико из Института технологических инноваций в Абу-Даби. Вместе команды продемонстрировали, как хорошо известный эффект из физики твёрдого тела может быть точно воспроизведён в совершенно иной обстановке. Эта работа служит хрестоматийным примером квантового моделирования. Как объясняет Хервиг Отт: «Квантово-механический эффект из физики твёрдого тела переносится в совершенно другую систему – и при этом его суть остаётся той же. Это наводит мосты между квантовыми мирами электронов и атомов».
Заглядывая вперёд, Отт и его коллеги планируют соединить несколько атомных переходов вместе, чтобы сформировать полные цепи из атомов. В таких системах атомы будут перемещаться по цепи вместо электронов – это зарождающаяся область исследований, известная как «атомтроника». «Такие цепи особенно хорошо подходят для наблюдения когерентных эффектов, то есть волноподобных эффектов», – говорит Эрик Бернхарт, который проводил эксперименты в рамках своего докторского исследования. В отличие от электронов в твёрдых материалах, атомы в этих цепях можно непосредственно наблюдать во время их движения, что обеспечивает более чёткое представление о квантовом поведении. «Мы также хотим воспроизвести другие фундаментальные компоненты, известные из электроники, для наших атомов и понять их точно на микроскопическом уровне».
