Selvom dette eksperiment ikke skabte en ægte “kvantehjerne”, har det resulteret i en atomisk platform, der præcist efterligner funktionerne i et kvanteelektrisk kredsløb. Denne analogi hjælper os med at forstå, hvordan vi ved hjælp af atomer og lys kan simulere processer, der normalt foregår i superledende systemer.
I verdens førende laboratorier er kvantefysikken ved at udvikle sig til et praktisk værktøj for at udforske fænomener, som tidligere kun eksisterede i teorien eller under næsten virkelighedstro forhold. For nylig har en gruppe forskere opnået at genskabe en karakteristisk effekt fra superledende elektronik inden for ultrakolde atomsystemer. Dette er ikke et almindeligt eksperiment; det system, de har udviklet, fungerer næsten som et elektrisk kredsløb, men i stedet for ledninger og elektroner benytter det atomer og laserlys.
Resultatet er både overraskende og yderst lovende. For første gang er de såkaldte Shapiro-Wilde-trin blevet observeret i et system, der kaldes en “atomisk Josephson-overgang”, som består af en kvantegas af kolde atomer. Dette betyder, at et fænomen, der tidligere udelukkende var kendt fra superledere, nu er blevet replikeret i atomernes verden. Forskningen, der er publiceret i tidsskriftet Science, demonstrerer, at et centralt fænomen inden for kvanteelektronik kan overføres til et helt anderledes miljø: Bose-Einstein-kondensater.
Josephson-overgangen… men med atomer
Josephson-overgange er mikroskopiske 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 i mange teknologiske anvendelser, lige fra præcise målesystemer til hjertet af kvantecomputere. Det er dog ekstremt udfordrende at studere de processer, der foregår på mikroskopisk niveau inde i dem, da kvanteprocesser udfolder sig utroligt hurtigt og i et yderst begrænset rum.
For at tackle denne udfordring foreslog et team ledet af Hervig Ott en alternativ metode. Deres mål var at konstruere et lignende system, men ved at anvende kolde atomer i stedet for elektroner. Specifikt benyttede de et Bose-Einstein-kondensat af rubidiumatomer – en kvantetilstand, hvor millioner af atomer opfører sig som en samlet enhed. For at opdele denne kvantegas brugte de en fokuseret laser, som skabte en bevægelig optisk barriere. Med dette setup lykkedes det dem at skabe, hvad der kan beskrives som en atomær udgave af en Josephson-overgang.
Det bemærkelsesværdige er, at da barrieren blev bevæget periodisk – som om der blev tilført vekselstrøm – opstod de såkaldte Shapiro-trin. Disse trin viste sig som diskrete spring i forskellen mellem kemiske potentialer, hvilket svarer til de spændingsspring, man observerer i superledende enheder. Dette markerer første gang, at sådanne fænomener er blevet visualiseret i et system bestående af atomer og lys.
Hvad er Shapiro-trin, og hvorfor er de vigtige?
Inden for kvanteelektronik fremkaldes Shapiro-trin ved at tilføre vekselstrøm til en jævnstrøm i en Josephson-overgang. Det er observeret, at spændingen ikke stiger kontinuerligt, men derimod tager meget præcise spring, hvis højde udelukkende afhænger af fundamentale konstanter som den anvendte frekvens og Plancks konstant. Dette fænomen er så nøjagtigt, at det anvendes som en international standard for definitionen af volt.
Den tyske forskergruppes bedrift består i at demonstrere, at det samme fænomen kan observeres i et helt andet system. Ifølge forfatterne “viser trinene sig i forskellen mellem kemiske potentialer, og deres højde kvantiseres af frekvensen af den eksterne påvirkning.” I stedet for at måle elektrisk strøm måler man ubalancen i atomernes tæthed på begge sider af barrieren.
Denne opdagelse strækker sig langt ud over blot akademisk nysgerrighed. Den bekræfter, at Shapiro-fænomenet er universelt og ikke kun begrænset til superledernes verden, men også kan anvendes på kvantegasser. Desuden åbner det nye døre for at studere de love, der styrer komplekse kvantesystemer, under mere kontrollerbare og visualiserbare forhold.
Kvantemodellering med eksperimentel præcision
Det mest afgørende aspekt ved dette arbejde er, at det transcenderer grænserne for blot overfladisk efterligning. Eksperimentet replikerer præcist adskillige nøgleelementer fra det oprindelige fænomen, herunder den matematiske sammenhæng mellem stimulationsfrekvensen og trinets højde. Forskerne bekræfter, at “forskellen i kemiske potentialer ∆µ kvantiseres i formen ∆µ = nhfₘ, hvor n er trinets nummer, h er Plancks konstant, og fₘ er stimulationsfrekvensen.”
Takket være de kolde atomers unikke egenskaber har det været muligt at undersøge spredningen af de udløsere, der forårsager disse trin. Forskerholdet observerede, at hvert trin er forbundet med forekomsten af solitoner – tæthedsbølger, der spreder sig gennem gassen. I dette specifikke tilfælde blev de identificeret som hvirvelringe, kvantestrukturer, der opstår, når den optiske barriere bevæger sig gennem kondensatet. Disse excitationer er ansvarlige for ubalancen i atomerne og dermed den målbare effekt.
