Selvom dette eksperiment ikke skabte en ægte “kvantehjerne”, har det dog resulteret i en atomar platform, der formår at efterligne funktionen af kvanteelektriske kredsløb. Denne metafor hjælper os med at forstå, hvordan man præcist kan genskabe fænomener fra superledende systemer ved hjælp af atomer og lys.
I førende laboratorier verden over er kvante fysik ved at udvikle sig til et praktisk redskab for at udforske fænomener, der tidligere kun eksisterede i teorien eller under tilnærmede virkelige forhold. Nu er det lykkedes en gruppe forskere at genskabe den karakteristiske effekt fra superledende elektronik i et system af ultra-kolde atomer. Dette er ikke et almindeligt eksperiment: Systemet, de har udviklet, fungerer næsten som et elektrisk kredsløb, men i stedet for ledninger og elektroner benytter det atomer og laserlys.
Resultatet er lige så forbløffende, som det er lovende. For første gang er Shapiro-trin blevet observeret i et “atomart Josephson-overgangssystem”, der er konstrueret af en kvantegas af kolde atomer. Med andre ord er en adfærd, der tidligere kun var kendt fra superledende materialer, nu blevet reproduceret i atomernes verden. Studiet, der er publiceret i tidsskriftet Science, viser potentialet for at overføre et centralt fænomen inden for kvanteelektronik til et helt andet miljø: Bose-Einstein-kondensater.
Josephson-overgangen… men med atomer
Josephson-overgange er utroligt små strukturer, der adskiller to superledende materialer med en tynd barriere. På trods af deres tilsyneladende enkelhed tillader de strøm at flyde uden modstand takket være et kollektivt kvantefænomen. De spiller en afgørende rolle inden for mange anvendelsesområder, lige fra præcise målesystemer til kernerne i kvantecomputere. Dog er det yderst vanskeligt at studere, hvad der foregår inde i dem på mikroskopisk niveau, da kvanteprocesserne udfolder sig ekstremt hurtigt og i mikroskopiske rum.
For at tackle denne udfordring foreslog en gruppe under ledelse af Herwig Ott en alternativ tilgang. De ønskede at skabe et lignende system, men ved at bruge kolde atomer i stedet for elektroner. Specifikt anvendte de et Bose-Einstein-kondensat af rubidiumatomer – en form for kvantetilstand, hvor millioner af atomer opfører sig som en samlet enhed. For at opdele denne kvantegas brugte de en fokuseret laser, der skabte en bevægelig optisk barriere. Med dette udstyr lykkedes det dem at konstruere, hvad der kan beskrives som en atomar version af Josephson-overgangen.
Interessant nok, da barrieren periodisk blev flyttet – som om man tilførte vekselstrøm – opstod der Shapiro-trin: trin i forskellen i kemiske potentialer, der svarer til de spændingsspring, man observerer i superledende enheder. Dette er første gang, at sådanne fænomener er blevet visualiseret i et system skabt af atomer og lys.
Hvad er Shapiro-trin, og hvorfor er de vigtige?
Inden for kvanteelektronik opstår Shapiro-trin, når vekselstrøm påføres jævnstrøm under en Josephson-overgang. Det er observeret, at spændingen ikke stiger kontinuerligt, men derimod i præcise trin, hvis højde udelukkende afhænger af fundamentale konstanter som den anvendte frekvens og Plancks konstant. Denne effekt er så præcis, at den bruges som international standard for at definere volt.
Det tyske holds bedrift er at have demonstreret, at det samme fænomen kan observeres i et helt andet system. Ifølge forfatterne “opstår trinene i forskellen i kemiske potentialer, og deres højde kvantiseres af frekvensen af den eksterne påvirkning”. I stedet for at måle elektrisk strøm måles uligevægten i atomtætheden på begge sider af barrieren.
Denne observation er langt mere end blot akademisk nysgerrighed. Den bekræfter, at Shapiro-effekten er et universelt fænomen, der ikke er begrænset til superledernes verden, men også er relevant for kvantegasser. Desuden åbner det nye muligheder for at studere de love, der styrer komplekse kvantesystemer, under mere kontrollerede og visualiserbare forhold.
Kvantemodellering med eksperimentel præcision
Det mest afgørende aspekt ved dette arbejde er, at det rækker ud over en overfladisk efterligning. Eksperimentet gentager præcist flere af de oprindelige fænomens nøgleaspekter, herunder den matematiske afhængighed mellem stimuliens frekvens og trinets højde. Forskerne bekræfter, at “forskellen i kemiske potentialer ∆µ kvantiseres som ∆µ = nhfₘ, hvor n er trinnummeret, h er Plancks konstant, og fₘ er stimuliens frekvens”.
