Учёные впервые наблюдали квантовую «лестницу» в ультрахолодных атомах

Впервые учёные смогли наблюдать знаменитые «шаги Шапиро» — квантовый эффект, напоминающий лестницу, — в системе ультрахолодных атомов.

Иллюстрация, связанная с атомным переходом Джозефсона, демонстрирующим шаги Шапиро. Автор: Джулия Дель Паче.

В ходе эксперимента переменный ток был подан на переход Джозефсона, созданный из атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля и разделённых сверхтонким барьером из лазерного света. Удивительно, но атомы смогли коллективно и без потерь энергии преодолеть этот барьер, ведя себя так, будто он прозрачен, благодаря квантовому туннелированию.

Когда осциллирующий ток протекал через переход, разница химических потенциалов между двумя его сторонами менялась не плавно, а скачкообразно, равномерными шагами, как при подъёме по квантовой лестнице. Высота каждого «ступеньки» напрямую определяется частотой приложенного тока, и эти ступенчатые изменения являются атомным аналогом шагов Шапиро в обычных джозефсоновских переходах.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Инжекция тока в однородном атомном переходе Джозефсона. Автор: Джулия Дель Паче и др.

Эксперимент был проведён командой Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии (LENS) в Сесто-Фьорентино (Италия) в сотрудничестве с исследователями из Национального института оптики (CNR-INO), Флорентийского университета, Университета Катании, Технологического института инноваций (TII) в Абу-Даби и Национального автономного университета Мексики (UNAM). В том же выпуске Science в формате back-to-back была опубликована дополнительная работа, выполненная в Рейнланд-Пфальцском техническом университете Кайзерслаутерн-Ландау.

«Переходы Джозефсона в твёрдотельных сверхпроводящих системах уже являются фундаментальными строительными блоками квантовых сенсоров и компьютеров, а Нобелевская премия по физике 2025 года отметила их как ключевые инструменты для изучения квантовых явлений на макроскопических масштабах, — говорит Джакомо Роати, директор по исследованиям CNR-INO и руководитель экспериментальной группы LENS. — В реализации с ультрахолодными атомами эти переходы предлагают беспрецедентный контроль, позволяя нам напрямую исследовать микроскопические механизмы, порождающие их макроскопическое поведение».

«Благодаря высокой степени контроля и точности в манипулировании атомами мы смогли раскрыть физический механизм синхронизации, ответственный за возникновение шагов Шапиро в атомных переходах Джозефсона, — объясняет Джулия Дель Паче, исследователь Флорентийского университета и первый автор работы. — Это представляет собой решающий шаг в понимании того, как микроскопическое квантовое поведение приводит к макроскопическим явлениям».

«Это важный шаг для атомтроники, — добавляет Луиджи Амико, руководитель теоретической группы, предсказавшей эффект в Университете Катании и TII. — Подобно электрическим токам в обычной электронике, атомтронные схемы направляют нейтральные атомы с помощью лазеров, предлагая точный контроль для создания новых квантовых устройств и применения в моделировании, сенсорике и технологиях».

Эти результаты демонстрируют, что ультрахолодные атомы являются не только идеальной платформой для изучения фундаментальных квантовых явлений, но и мощным инструментом для исследования и использования коллективной динамики квантовых систем в высококонтролируемой среде.

Больше информации: Giulia Del Pace et al, Shapiro steps in strongly-interacting Fermi gases, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ads8885. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2409.03448

ИИ: Это фундаментальное открытие, сделанное в католическое Рождество 2025 года, подчёркивает, как исследования на стыке атомной физики и квантовых технологий продолжают раскрывать удивительные коллективные эффекты, приближая нас к новому поколению квантовых устройств.