Как разгадать загадки невидимого квантового мира? Создать его точную копию из ультрахолодных атомов

Многие квантовые эффекты, на которых держатся современные технологии, происходят на настолько малых масштабах, что увидеть их напрямую невозможно. Один из таких эффектов — эффект Джозефсона. Он возникает в сверхпроводниках и играет ключевую роль в работе квантовых компьютеров, сверхточных эталонов напряжения и медицинских приборов, которые применяются для регистрации слабых сигналов мозга.

Если упростить, эффект Джозефсона связан с тем, что электрический ток может протекать между двумя сверхпроводниками даже тогда, когда между ними есть тончайший изолирующий слой. В обычных условиях такой барьер полностью блокировал бы движение зарядов, но в квантовом мире электроны ведут себя не только как частицы, но и как волны. Благодаря этому они могут как бы просачиваться через препятствие — это явление называется квантовым туннелированием.

На практике эффект Джозефсона используют уже несколько десятилетий, но то, что происходит внутри такого перехода на микроскопическом уровне, остаётся почти недоступным для прямого наблюдения. Все процессы — появление потерь энергии, возникновение возбуждений, перестройка квантового состояния — происходят внутри твёрдого материала и скрыты от экспериментатора. Чтобы заглянуть внутрь этих механизмов, немецкие физики решили воспроизвести тот же эффект в другой, более прозрачной системе.

В классическом джозефсоновском переходе два сверхпроводника разделены тонким изолятором. Пока ток мал, заряд проходит через барьер без сопротивления. Если ток увеличивать, система выходит из идеального режима, и часть энергии начинает теряться. Когда на такой переход дополнительно воздействует микроволновое излучение, зависимость напряжения от тока приобретает характерные плоские участки. Эти участки называют ступенями Шапиро.

Ступени Шапиро возникают из-за синхронизации внутреннего квантового процесса с внешним периодическим воздействием. Их положение по напряжению зависит только от частоты излучения и фундаментальных физических констант. Именно поэтому они используются как основа международного стандарта вольта: результат получается воспроизводимым с исключительной точностью.

Главная трудность заключается в том, что в реальном сверхпроводнике невозможно напрямую проследить, как именно формируются эти ступени и какие микроскопические процессы за ними стоят. Чтобы обойти это ограничение, исследователи применили метод квантового моделирования — подход, при котором сложный квантовый эффект воспроизводят в другой физической системе, более удобной для наблюдений.

В эксперименте использовались конденсаты Бозе — Эйнштейна — ультрахолодные атомные газы, в которых все частицы ведут себя согласованно, как единая квантовая волна. Учёные создали два таких облака атомов и разделили их тонким оптическим барьером, сформированным сфокусированным лазерным лучом. Этот барьер выполнял ту же роль, что и изолирующий слой между сверхпроводниками.

Чтобы воспроизвести воздействие переменного электромагнитного поля, лазерный барьер начали двигать с заданной периодичностью. В ответ атомы начинали перетекать из одного конденсата в другой. При этом исследователи измеряли разность химических потенциалов — величину, которая в атомных системах выполняет ту же функцию, что электрическое напряжение в электронных цепях.

В измерениях появились ступени Шапиро, полностью аналогичные тем, что известны по сверхпроводниковым переходам. Это означало, что квантовый эффект, долгое время изучавшийся только в твёрдых телах, проявился и в системе нейтральных атомов. При этом атомная платформа позволила наблюдать процессы, которые в обычных материалах остаются скрытыми.

Результаты показывают, что ступени Шапиро не зависят от природы носителей — электронов или атомов. Их появление определяется фундаментальными квантовыми законами и частотой внешнего воздействия. Ультрахолодные атомы при этом дают возможность подробно изучать потери энергии, сохранение квантовой согласованности и поведение системы вдали от равновесия. Такое понимание важно для создания защищённых квантовых устройств, которые должны стабильно работать в реальных условиях.

Авторы отмечают, что текущая установка остаётся упрощённой моделью и не воспроизводит всей сложности электронных схем. Следующий шаг — соединение нескольких атомных джозефсоновских переходов в одну систему. Это направление известно как атомтроника и используется как экспериментальная платформа для изучения принципов работы квантовых компонентов на уровне, недоступном традиционным твёрдотельным экспериментам.