Des chercheurs de l'université RPTU de Kaiserslautern-Landau ont simulé une jonction Josephson à l'aide d'atomes ultrafroids, révélant des effets quantiques clés auparavant masqués dans les supraconducteurs. En séparant des condensats de Bose-Einstein avec une barrière laser mobile, ils ont observé des marches de Shapiro, confirmant l'universalité du phénomène. Les résultats, publiés dans Science, relient les systèmes quantiques atomiques et électroniques.
Les jonctions Josephson sont essentielles dans les technologies quantiques, permettant des mesures précises de tension et formant le cœur des ordinateurs quantiques. Elles consistent en deux supraconducteurs séparés par un isolant fin, mais leurs processus quantiques sont difficiles à observer directement en raison de leur échelle microscopique.
Pour y remédier, une équipe dirigée par Herwig Ott à l'université RPTU de Kaiserslautern-Landau a utilisé une simulation quantique avec des atomes ultrafroids. Ils ont créé deux condensats de Bose-Einstein et les ont séparés à l'aide d'une barrière optique étroite provenant d'un faisceau laser focalisé. En déplaçant périodiquement cette barrière, ils ont imité l'effet du rayonnement micro-ondes sur une jonction Josephson traditionnelle.
L'expérience a produit des marches de Shapiro claires — plateaux de tension quantifiés aux multiples de la fréquence d'excitation. Ces marches, qui sous-tendent l'étalon mondial de tension, sont apparues dans le système atomique comme dans les dispositifs supraconducteurs. « Dans notre expérience, nous avons pu visualiser les excitations résultantes pour la première fois. Le fait que cet effet apparaisse maintenant dans un système physique complètement différent — un ensemble d'atomes ultrafroids — confirme que les marches de Shapiro sont un phénomène universel », a déclaré Ott.
L'étude, menée avec les théoriciens Ludwig Mathey de l'université de Hambourg et Luigi Amico de l'institut Technology Innovation Institute à Abu Dhabi, montre comment la simulation quantique révèle une physique cachée. Comme l'a expliqué Ott : « Un effet mécanique quantique de la physique de l'état solide est transféré vers un système complètement différent — et pourtant son essence reste la même. Cela construit des ponts entre les mondes quantiques des électrons et des atomes. »
Erik Bernhart, qui a réalisé les expériences lors de sa thèse de doctorat, a mis en lumière le potentiel futur : « De tels circuits sont particulièrement adaptés pour observer des effets cohérents, c'est-à-dire des effets ondulatoires. » L'équipe vise à connecter plusieurs jonctions atomiques en circuits pour l'atomtronique, permettant une observation directe du comportement quantique atomique, contrairement aux mouvements insaisissables des électrons dans les solides.
Publié dans Science (2025 ; 390 (6778) : 1130), ce travail fait avancer la compréhension de l'universalité quantique et des applications dans des domaines comme la magnétoencéphalographie pour l'imagerie cérébrale.
