Шаги Шапиро в сильно взаимодействующих ферми-газах
Впервые учёные наблюдали знаменитые ступени Шапиро — ступенчатый квантовый эффект — в ультрахолодных атомах. В эксперименте переменный ток был приложен к джозефсоновскому переходу, образованному атомами, охлажденными почти до абсолютного нуля и разделенными чрезвычайно тонким барьером из лазерного света. Оказалось, что атомы смогли преодолеть этот барьер коллективно и без потери энергии. Они вели себя так, как если бы, благодаря квантовому туннелированию, барьер был прозрачным. По мере протекания осциллирующего тока через переход разница химических потенциалов между двумя сторонами изменялась не плавно, а увеличивалась дискретными, равномерно расположенными ступенями, подобно подъему по квантовой лестнице. Высота каждой ступени напрямую определяется частотой приложенного тока, и эти ступенчатые разности химических потенциалов являются атомным аналогом ступеней Шапиро в обычных джозефсоновских переходах. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Рис. 1. Иллюстрация, иллюстрирующая работу атомного джозефсоновского перехода в процессе Шапиро. Автор: Джулия Дель Паче.
Исследование проводилось экспериментальной группой Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии (LENS) в Сесто-Фиорентино, Италия, в сотрудничестве с исследователями из Национального института оптики (CNR-INO), Университета Флоренции, Университета Катании, Института технологических инноваций (TII) в Абу-Даби и Национального автономного университета Мексики (UNAM). Дополнительное исследование, проведенное в РПТУ (Региональном политехническом университете Кайзерслаутерна-Ландау), было опубликовано в том же номере журнала Science в других публикациях.
Благодаря высокой степени контроля и точности в манипулировании атомами учёным удалось раскрыть физический механизм синхронизации, ответственный за появление ступеней Шапиро в атомных джозефсоновских переходах. Это решающий шаг в понимании того, как микроскопическое квантовое поведение приводит к макроскопическим явлениям.
Рис. 2. Ввод тока в однородный атомный джозефсоновский переход. Источник: Джулия Дель Паче и др.
Подобно электрическим токам в традиционной электронике, атомтронные схемы управляют нейтральными атомами с помощью лазеров, обеспечивая точное управление для новых квантовых устройств и приложений в моделировании, сенсорике и технологиях. Данные результаты демонстрируют, что ультрахолодные атомы являются не только идеальной платформой для исследования фундаментальных квантовых явлений, но и мощным инструментом для изучения и использования коллективной динамики квантовых систем в строго контролируемой среде.
