Forskare vid RPTU University of Kaiserslautern-Landau har simulerat en Josephson-förbindning med ultrakalla atomer och avslöjat viktiga kvanteffekter som tidigare varit dolda i supraledare. Genom att separera Bose-Einstein-kondensat med en rörlig laserrädd, observerade de Shapiro-trappor och bekräftade fenomenets universalitet. Resultaten, publicerade i Science, bygger broar mellan atomära och elektroniska kvantsystem.
Josephson-förbindningar är vitala i kvantteknologier och möjliggör exakta spänningsmätningar samt bildar kärnan i kvantdatorer. De består av två supraledare åtskilda av en tunn isolator, men deras kvantprocesser är svåra att observera direkt på grund av den mikroskopiska skalan.
För att lösa detta använde ett team ledd av Herwig Ott vid RPTU University of Kaiserslautern-Landau kvantsimulering med ultrakalla atomer. De skapade två Bose-Einstein-kondensat och delade dem med en smal optisk barriär från en fokuserad laserkäde. Genom att periodvis flytta denna barriär efterliknade de effekten av mikrovågsstrålning på en traditionell Josephson-förbindning.
Experimentet producerade tydliga Shapiro-trappor – kvantiserade spänningsplatåer vid multipler av drivfrekvensen. Dessa trappor, som ligger till grund för den globala spänningsstandarden, dök upp i det atomära systemet precis som i supraledande enheter. „I vårt experiment kunde vi visualisera de resulterande excitationerna för första gången. Att denna effekt nu uppstår i ett helt annorlunda fysikaliskt system – en samling ultrakalla atomer – bekräftar att Shapiro-trappor är ett universellt fenomen“, uppgav Ott.
Studien, utförd med teoretikerna Ludwig Mathey från University of Hamburg och Luigi Amico från Technology Innovation Institute i Abu Dhabi, visar hur kvantsimulering avslöjar dold fysik. Som Ott förklarade: „En kvantmekanisk effekt från fastkroppsfysik överförs till ett helt annat system – och ändå förblir dess essens densamma. Detta bygger broar mellan elektroners och atomers kvantvärldar.“
Erik Bernhart, som utförde experimenten under sin doktorandtid, framhöll framtida potential: „Sådana kretsar är särskilt lämpade för att observera koherenta effekter, dvs. vågliknande effekter.“ Teamet planerar att koppla samman flera atomära förbindningar till kretsar för atomtronik, vilket möjliggör direkt observation av atomär kvantbeteende, till skillnad från svårfångade elektronrörelser i fasta kroppar.
Publicerad i Science (2025; 390 (6778): 1130) främjar arbetet förståelsen av kvantuniversalitet och tillämpningar inom områden som magnetencefalografi för hjärnbildning.
