Ученым впервые удалось зафиксировать так называемые ступени Шапиро — квантовый феномен, напоминающий лестницу, — в системе ультрахолодных атомов.
Ранее это явление наблюдали только в сверхпроводящих материалах, но теперь его удалось воспроизвести в совершенно другой среде, что открывает новые горизонты для изучения квантовой физики.
В ходе нового эксперимента специалисты Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии во Флоренции охладили атомы практически до абсолютного нуля и разделили их сверхтонким барьером из лазерного света. Эта конструкция является атомным аналогом джозефсоновского перехода — устройства, где два сверхпроводника разделены тончайшей пленкой. Благодаря явлению квантового туннелирования атомы могут преодолевать этот барьер коллективно, не теряя энергии, словно он для них абсолютно прозрачен.
Когда через переход пропускали переменный ток, разница химических потенциалов между двумя сторонами барьера изменялась не плавно, а дискретными равномерными скачками — как будто кто-то поднимался по ступенькам. Высота каждой такой ступени прямо пропорциональна частоте подаваемого тока. Эти скачки и составляют атомный аналог ступеней Шапиро.
«Джозефсоновские переходы в твердотельных сверхпроводящих устройствах уже сейчас являются основными элементами квантовых сенсоров и квантовых компьютеров», — подчеркивает руководитель экспериментальной группы, директор по исследованиям Национального института оптики Джакомо Роати. По его словам, использование таких переходов на ультрахолодных атомах дало возможность наблюдать квантовые эффекты на уровне отдельных частиц и одновременно видеть их коллективное проявление.
«Благодаря высокой точности манипуляций с атомами мы смогли выявить механизм физической синхронизации, ответственный за возникновение ступеней Шапиро», — поясняет соавтор исследования Джулия Дель Паче из Флорентийского университета. Она отмечает, что это важный шаг к пониманию того, как микроскопическое квантовое поведение приводит к макроскопическим явлениям.
Луиджи Амико, возглавлявший теоретическую группу, предсказавшую данный эффект, называет результат значительным достижением для атомтроники — области, в которой нейтральные атомы управляются лазерами аналогично электрическим токам в привычной электронике. Такие атомные схемы открывают возможности для разработки новых квантовых устройств для моделирования, измерений и технологических приложений.
Эксперимент продемонстрировал, что ультрахолодные атомы — это не только идеальная база для изучения фундаментальных квантовых явлений, но и мощный инструмент для анализа коллективной динамики квантовых систем в контролируемых условиях.
Тем временем физики реализуют квантовые технологии с помощью неуправляемых молекул.
Фото: hi-tech.mail.ru