カイザースラウテルン＝ランダウのRPTU大学研究者らが超低温原子を用いてジョセフソン接合をシミュレートし、従来超伝導体で隠れていた重要な量子効果を明らかにした。移動するレーザー障壁でボース＝アインシュタイン凝縮を分離し、シャピロ・ステップを観測、現象の普遍性を確認。Scienceに掲載された成果は、原子系と電子系の量子システムを橋渡しする。
ジョセフソン接合は量子技術に不可欠で、精密な電圧測定を可能にし、量子コンピュータの核心を形成します。それらは薄い絶縁体で分離された2つの超伝導体からなり、微視的スケールのため量子過程を直接観測するのが困難です。
これに対処するため、RPTUカイザースラウテルン＝ランダウ大学のHerwig Ott率いるチームは超低温原子による量子シミュレーションを採用しました。彼らは2つのボース＝アインシュタイン凝縮を作成し、集束レーザー光線による狭い光学障壁で分離しました。この障壁を周期的に移動させることで、従来のジョセフソン接合に対するマイクロ波放射の効果を模倣しました。
実験では明確なシャピロ・ステップが現れました。これは駆動周波数の整数倍での量子化された電圧プラトーです。これらのステップは世界的な電圧基準の基盤であり、原子系でも超伝導デバイスと同様に現れました。「私たちの実験では、結果生じた励起を初めて可視化できました。この効果が全く異なる物理系――超低温原子の集合――で現れたことは、シャピロ・ステップが普遍現象であることを確認します」とOttは述べました。
ハンブルク大学のLudwig MatheyとアブダビのTechnology Innovation InstituteのLuigi Amicoら理論家と共同で行われた研究は、量子シミュレーションが隠れた物理を明らかにすることを示しています。Ottは説明します。「固体物理学の量子効果が全く異なる系に移されても、その本質は変わりません。これは電子と原子の量子世界を繋ぐ橋となります。」
博士研究中に実験を行ったErik Bernhartは将来の可能性を強調：「こうした回路は特にコヒーレント効果、すなわち波のような効果の観測に適しています。」チームは複数の原子接合を回路に繋ぎ、アトムトロニクスを実現し、固体中の電子運動とは異なり原子量子挙動を直接観測することを目指します。
Science (2025; 390 (6778): 1130) に掲載された本研究は、量子普遍性の理解と脳画像などの磁気脳波描記法などの応用を推進します。