Ученые впервые смогли воспроизвести эффект шагов Шапиро, ранее наблюдавшийся только в твердых сверхпроводниках, в новой среде — облаке атомов, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю.

Что такое атомтроника?

Атомтроника — это область физики, изучающая движение атомов и способы управления этим движением. Она является аналогом электроники, только вместо электронов здесь используются атомы. В атомтронике применяются ультрахолодные атомы, поскольку их квантовые свойства и возможность точного контроля позволяют моделировать системы с выраженными квантовыми эффектами. Для перемещения атомов в таких схемах ученые используют лазеры.

Эксперимент с ультрахолодными атомами

В ходе эксперимента исследователи использовали атомы лития, охлажденные до состояния сверхтекучего ферми-газа. В этом состоянии атомы объединяются в пары, напоминающие куперовские пары электронов в сверхпроводниках. Для создания джозефсоновского контакта — системы из тонкого слоя диэлектрика между двумя слоями сверхпроводника — ученые сформировали его из двух резервуаров ультрахолодных атомов, разделенных лазерным излучением с длиной волны 532 нанометра.

В полученной системе атомы смогли осуществлять квантовое туннелирование, то есть преодолевать барьер группой без потерь энергии. При воздействии переменного внешнего потенциала разность химических потенциалов между двумя сторонами контакта изменялась не плавно, а скачкообразно, образуя равномерные «ступени». Таким образом, физики впервые зафиксировали шаги Шапиро при прохождении тока через джозефсоновский контакт в системе холодных атомов. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Суть эффекта шагов Шапиро

Шаги Шапиро — это квантовый эффект, при котором определенная физическая величина может принимать строго определенные, квантованные значения, зависящие от параметров тока. В электронике ступенчатое изменение наблюдается в напряжении системы, а в атомтронике — в разности химических потенциалов. Высота каждой ступени напрямую определяется частотой приложенного тока.

Перспективы и применение

Ученые считают, что ультрахолодные атомы — идеальная платформа для изучения фундаментальных квантовых явлений и мощный инструмент для исследования коллективной динамики квантовых систем с высокой степенью контроля. Полученные в атомтронике данные могут быть использованы для создания высокочувствительных сенсоров и симуляторов сложных квантовых материалов.