До сих пор это явление фиксировали только в сверхпроводящих материалах, а теперь его воспроизвели в совершенно иной среде, что открывает новые возможности для изучения квантовой физики.
В ходе своего нового эксперимента специалисты Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии во Флоренции охладили атомы почти до абсолютного нуля и разделили их сверхтонким барьером из лазерного света. Такая конструкция представляет собой атомный аналог джозефсоновского перехода — устройства, в котором два сверхпроводника разделены тончайшей прослойкой. Благодаря квантовому туннелированию атомы способны преодолевать этот барьер коллективно и без потери энергии, словно он для них совершенно прозрачен.
Когда через переход пропускали переменный ток, разница химических потенциалов между двумя сторонами барьера менялась не плавно, а дискретными равномерными скачками — будто кто-то поднимался по ступенькам. Высота каждой такой ступени напрямую определяется частотой приложенного тока. Именно эти скачки и есть атомный аналог ступеней Шапиро.
«Джозефсоновские переходы в твердотельных сверхпроводящих платформах уже сейчас являются фундаментальными элементами квантовых сенсоров и квантовых компьютеров», — отмечает руководитель экспериментальной группы, директор по исследованиям Национального института оптики Джакомо Роати. По его словам, реализация таких переходов на ультрахолодных атомах позволила наблюдать квантовые эффекты буквально на уровне отдельных частиц и в то же время видеть их коллективное проявление.
«Благодаря высокой точности манипулирования атомами мы смогли раскрыть механизм физической синхронизации, ответственный за появление ступеней Шапиро», — объясняет соавтор работы Джулия Дель Паче из Флорентийского университета. Она подчеркивает, что это важнейший шаг в понимании того, как микроскопическое квантовое поведение порождает макроскопические явления.
Луиджи Амико, возглавлявший теоретическую группу, предсказавшую этот эффект, называет результат большим прорывом для атомтроники — направления, в котором нейтральные атомы движутся под управлением лазеров точно так же, как электрические токи в привычной нам электронике. Такие атомные схемы открывают путь к созданию новых квантовых устройств для моделирования, измерений и технологических приложений.
Эксперимент показал, что ультрахолодные атомы — это не только идеальная платформа для изучения фундаментальных квантовых явлений, но и мощный инструмент для оценки коллективной динамики квантовых систем в контролируемых условиях.
Тем временем физики воплощают квантовые технологии при помощи неуправляемых молекул.
