約瑟夫森結在現代物理學和技術中發揮著重要作用。這可以實現極其精確的測量。制定電壓國際標準。並作為許多量子計算機的關鍵組件。儘管它很重要，但眾所周知，超導體內發生的量子尺度過程很難直接觀察。
為了克服這一挑戰，凱澤斯勞滕-蘭道 RPTU 大學的研究人員讓我們轉向量子模擬。相反，他們研究固體材料內的電子。他們使用極冷的原子重現了約瑟夫森效應。他們的方法包括使用由以周期性受控方式移動的聚焦激光束產生的超薄光柵來分離兩種玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC）。即使在這個原子系統中，約瑟夫森關節的定義特徵也出現了。實驗揭示了夏皮羅階梯這是一個不同的電壓平台，出現在驅動頻率的許多倍處。同樣的情況也發生在超導器件中。發表於期刊 科學這項工作是量子模擬如何揭示隱藏物理的一個明顯例子。
為什麼約瑟夫森樞紐很重要？
乍一看，約瑟夫森樞紐的結構很簡單。它由兩個被非常薄的絕緣層隔開的超導體組成。但這種基本設置創造了強大的量子力學效應，支撐著當今最先進的技術。約瑟夫森接觸是許多量子計算機的核心。並使得測量極弱的磁場成為可能。
這些測量對於腦磁圖 (MEG) 等應用至關重要，腦磁圖是一種醫學成像技術，用於檢測人腦活動產生的磁信號。約瑟夫森結的精確度使靈敏的診斷成為可能。
這使得觀察其他不可見的量子效應成為可能。
約瑟夫森結的挑戰在於它們的行為是在個體的量子水平上展開的。超導體內部這些微觀過程不易追踪或可見。為了研究這些細節，物理學家依靠量子模擬，這是一種將復雜的量子系統映射到其他更容易控制和觀察的系統上的策略。
通過在新環境中重新創建必要的物理原理。研究人員可以探索原本可能隱藏的影響。這種方法使科學家能夠測試基本想法並確認某些行為是否在不同的物理系統中真正具有普遍性。
用極冷的原子重建約瑟夫森效應。
在 RPTU，由 Herwig Ott 領導的實驗團隊使用約瑟夫森效應的直接量子模擬，而不是使用超導體。他們使用一種稱為玻色-愛因斯坦凝聚態的極冷原子氣體。兩個這樣的冷凝物被聚焦激光束產生的狹窄光學屏障分開。通過定期移動這個障礙物，研究人員創造了類似於暴露於微波輻射的超導約瑟夫森結的條件。
在一般設備中，微波輻射會通過約瑟夫森觸點感應出額外的交流電流。在原子版本的實驗中，可移動激光屏障起著相同的作用。這使得該團隊能夠使用原子表示來密切模仿電子結的行為。
夏皮羅程序是一種普遍現象。
實驗的結果是驚人的。原子系統顯示出明顯的夏皮羅步驟。這是全世界用於校準電壓的定量電壓平台。這些步驟僅取決於基礎常數和所應用的調製頻率。這使得這些步驟成為全球“伏特”電壓標準的基礎。
“在我們的實驗中，我們能夠看到第一次發生的刺激圖像。事實上，這種效應在完全不同的物理系統中表現出來。這是一組極冷的原子，這證實了夏皮羅程序是一種普遍現象，”赫維格·奧特說。
連接原子和電子的量子世界
這項研究是與漢堡大學的理論物理學家 Ludwig Mathey 和阿布扎比技術創新研究所的 Luigi Amico 合作進行的。該團隊共同證明，眾所周知的固態物理效應可以在完全不同的環境中忠實地再現。
這項工作可以作為量子模擬的教科書示例。正如赫維格·奧特（Herwig Ott）解釋的那樣，“固態物理學中的量子力學效應被轉移到完全不同的系統。但其本質保持不變。這在電子和原子的量子世界之間架起了一座橋樑。”
使用原子電路探索量子物理
展望未來，奧特和他的同事計劃將多個原子結連接在一起，以從原子創建完整的電路。在這些系統中，原子不是電子而是在電路中移動。這是一項名為“原子電子學”的新研究
“這種電路非常適合觀察相干效應，例如波狀效應，”埃里克·伯恩哈特說，他在博士研究中進行了這些實驗。這與固體材料中的電子不同。這些電路中的原子移動時可以直接觀察到。這使得量子行為更加清晰。 “我們還想複製原子電子設備中已知的其他基本組件，並在微觀層面上精確地理解它們。”
