Физика

Ученые воспроизвели эффект шагов Шапиро, который раньше наблюдали только в твердотельных сверхпроводниках, в новой среде — в облаке атомов, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю.

Атомтроника — раздел физики, изучающий движение атомов и управление этим движением. Это аналог электроники, в котором вместо электронов используют атомы. Атомтроника использует ультрахолодные атомы, поскольку их квантовые свойства и возможность точного контроля над частицами в этом состоянии позволяют моделировать системы с квантовыми эффектами. В атомтронных схемах ученые перемещают атомы с помощью лазеров.

В эксперименте использовали атомы лития, охлажденные до состояния сверхтекучего ферми-газа. В этом состоянии атомы объединяются по два, подобные куперовским парам электронов в сверхпроводниках. Джозефсоновский контакт — система из тонкого слоя диэлектрика между двумя слоями сверхпроводника. В этом эксперименте ученые сформировали его из двух резервуаров ультрахолодных атомов, разделенных лазерным излучением на длине волны 532 нанометра.

Атомы в созданной системе оказались способны на квантовое туннелирование: они преодолевали барьер группой и без потерь энергии. При приложении переменного внешнего потенциала к контакту разность химических потенциалов между двумя его сторонами менялась не плавно, а возрастала дискретными, равномерно расположенными «ступенями». Так физики впервые увидели шаги Шапиро при пропускании тока через контакт Джозефсона для системы холодных атомов. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Шагами Шапиро называют квантовый эффект, при котором некоторая величина может принимать строго определенные квантованные значения, зависящие от параметров тока. В электронике ступенчато меняется напряжение в системе, а в атомтронике — разность химических потенциалов. Высота каждой ступени напрямую определяется частотой приложенного тока.

Ученые считают, что ультрахолодные атомы — идеальная платформа для изучения фундаментальных квантовых явлений и мощный инструмент для исследования и использования коллективной динамики квантовых систем с высокой степенью контроля. Они надеются применить полученные при изучении атомтроники данные для создания высокочувствительных сенсоров и симуляторов сложных квантовых материалов.