Микроскопические процессы в сверхпроводниках трудно наблюдать напрямую. Поэтому исследователи из Университета Кайзерслаутерна-Ландау (RPTU) провели квантовое моделирование эффекта Джозефсона: они разделили два конденсата Бозе-Эйнштейна (КБЭ) с помощью чрезвычайно тонкого оптического барьера.
В атомной системе были обнаружены характерные шаги Шапиро. Исследование было опубликовано в журнале Science.
Что такое контакты Джозефсона?
Два сверхпроводника, разделённые тонким изолирующим слоем — так выглядит простой контакт Джозефсона. Несмотря на простую структуру, в нём присутствует квантово-механический эффект, который сейчас является одним из важнейших инструментов современных технологий.
Контакты Джозефсона составляют основу многих квантовых компьютеров и позволяют проводить высокоточные измерения, например, измерение очень слабых магнитных полей. Это используется, в том числе, в магнитоэнцефалографии (МЭГ), то есть в медицинской диагностике для изучения магнитных полей в мозге.
Квантовое моделирование
Важно отметить, что процессы, происходящие в контакте Джозефсона, происходят на уровне отдельных квантов и трудно наблюдаются напрямую в сверхпроводнике.
Чтобы сделать микроскопические процессы экспериментально доступными, исследователи используют приём, известный как квантовое моделирование. В общих чертах это предполагает перенос сложной квантовой системы в другую, более легко наблюдаемую систему. Это позволяет исследовать эффекты, которые практически недоступны в их обычной среде.
В RPTU экспериментальная исследовательская группа под руководством Хервига Отта применила этот принцип к эффекту Джозефсона. Вместо сверхпроводников они использовали ультрахолодный газ атомов, так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна.
Исследователи разделили два таких конденсата с помощью очень тонкого оптического барьера, который был создан сфокусированным лазерным лучом и перемещался периодически. Таким образом, исследователи смоделировали то, что происходит в сверхпроводящем контакте Джозефсона под воздействием микроволнового излучения.
Результаты квантового моделирования
Результатом квантового моделирования стало появление в атомной системе характерных шагов Шапиро — квантованных плато напряжения, которые служат для калибровки электрического напряжения. Они зависят только от естественных констант и частоты модуляции и составляют основу, на которой реализуется стандарт напряжения для «вольта» во всём мире.
«В нашем эксперименте мы впервые смогли визуализировать полученные возбуждения. Тот факт, что этот эффект теперь проявляется в совершенно другой физической системе — ансамбле ультрахолодных атомов — подтверждает, что шаги Шапиро являются универсальным явлением», — утверждает Отт.
Исследование проводилось в сотрудничестве с теоретическими группами Людвига Матея из Гамбургского университета и Луиджи Амико из Технологического инновационного института в Абу-Даби. Работа представляет собой классический пример квантового моделирования.
Отт резюмирует: «Квантово-механический эффект из физики твёрдого тела переносится в совершенно другую систему — и всё же его суть остаётся прежней. Это наводит мосты между квантовыми мирами электронов и атомов».
В будущем Отт и его команда хотят соединить несколько таких «строительных блоков» между собой «для создания реальных схем для атомов». Вместо электронов по схеме будут течь атомы — область работы, известная как «атомная электроника».
«Такие схемы особенно хорошо подходят для наблюдения когерентных эффектов, то есть волнообразных эффектов», — говорит Эрик Бернхарт, проводивший эксперименты в качестве докторанта. Кроме того, движение атомов можно «увидеть» непосредственно в атомных схемах, что гораздо сложнее сделать с электронами в твёрдых телах.
«Мы также хотим воспроизвести другие фундаментальные компоненты, известные из электроники, для наших атомов, и понять их точно на микроскопическом уровне», — заключают исследователи.
Предоставлено Университетом Кайзерслаутерна-Ландау.