Šis eksperiments neizveidoja īstas „kvantu smadzenes”, bet tas izveidoja atomāro platformu, kas imitē kvantu elektriskās ķēdes darbību. Metafora palīdz saprast, ka, izmantojot atomus un gaismu, var precīzi atainot to, kas notiek supervadītspējas sistēmās.
Saturs
Vadošajās pasaules laboratorijās kvantu fizika kļūst par praktisku instrumentu, lai pētītu parādības, kas iepriekš bija zināmas tikai teorijā vai apstākļos, kas tuvināti reālajiem. Tagad zinātnieku grupai ir izdevies reproducēt supervadītspējīgas elektronikas raksturīgo efektu ultraaukstu atomu sistēmā. Tas nav parasts eksperiments: viņu izveidotā sistēma darbojas gandrīz kā elektriskā ķēde, bet vadu un elektronu vietā tā izmanto atomus un lāzera gaismu.
Rezultāts ir tikpat pārsteidzošs, cik daudzsološs. Pirmo reizi Šapiro-Vilda pakāpes tika atklātas „atomārajā Džozefsona pārejas” sistēmā, kas veidota no aukstu atomu kvantu gāzes. Citiem vārdiem sakot, uzvedība, kas iepriekš bija zināma tikai par supravadītspējīgiem materiāliem, tika reproducēta atomu pasaulē. Pētījums, kas publicēts žurnālā Science , demonstrē iespēju pārnest galveno kvantu elektronikas parādību pilnīgi citā vidē: Bose-Einstein kondensātu vidē.
Džozefsona savienojums… bet ar atomiem.
Džozefsona pārejas ir ārkārtīgi mazas struktūras, kas divus supervadītspējīgus materiālus atdala ar plānu barjeru. Neskatoties uz šķietamo vienkāršību, tās ļauj strāvai plūst bez pretestības, pateicoties kolektīvam kvantu fenomenam. Tie spēlē svarīgu lomu daudzās lietojumu jomās, sākot no precīzu mērījumu sistēmām līdz kvantu datoru kodoliem. Tomēr pētīt to, kas notiek to iekšienē mikroskopiskā līmenī, ir ļoti grūti, jo kvantu procesi notiek ārkārtīgi ātri un mikroskopiskās telpās.
Lai risinātu šo problēmu, grupa Herviga Otta vadībā ierosināja citu pieeju. Viņi vēlējās izveidot līdzīgu sistēmu, bet izmantojot aukstus atomus elektronu vietā. Konkrēti, viņi izmantoja rubīdija atomu Bozes-Einsteina kondensātu — kvantu stāvokļa veidu, kurā miljoniem atomu uzvedas kā viens vesels. Lai sadalītu šo kvantu gāzi, viņi izmantoja fokusuotu lāzeru, kas rada kustīgu optisko barjeru . Ar šīs iekārtas palīdzību viņiem izdevās izveidot to, ko var aprakstīt kā atomāro versiju Džozefsona pārejai .
Interesanti, ka, periodiski pārvietojot barjeru, it kā pievadot maiņstrāvu, parādījās Šapiro pakāpes: pakāpes ķīmisko potenciālu atšķirībās, kas ir līdzvērtīgas sprieguma lēcieniem, ko novēro supervadītspējas ierīcēs. Šis ir pirmais gadījums, kad šādas parādības ir vizualizētas sistēmā, kas izveidota no atomiem un gaismas.
Kas ir Shapiro pakāpes un kāpēc tās ir svarīgas?
Kvantu elektronikā Shapiro pakāpes rodas, uzliekot maiņstrāvu uz līdzstrāvu Džozefsona pārejas laikā. Novērots, ka spriegums nepalielinās nepārtraukti, bet gan precīzi pakāpeniski, un tā augstums ir atkarīgs tikai no fundamentālajām konstantēm, piemēram, piemērotās frekvences un Planka konstantes. Šis efekts ir tik precīzs, ka to izmanto kā starptautisko standartu voltu noteikšanai .
Vācu komandas sasniegums ir pierādīt, ka šo pašu parādību var novērot pilnīgi citā sistēmā. Pēc autoru teiktā, „pakāpes parādās ķīmisko potenciālu atšķirībā, un to augstums tiek kvantizēts ar ārējās ietekmes frekvenci”. Tā vietā, lai mērītu elektrisko strāvu, tiek mērīts atomu blīvuma nelīdzsvarotība abās barjeras pusēs.
Šis novērojums ir daudz vairāk nekā tikai akadēmiska ziņkāre. Tas apstiprina, ka Šapiro efekts ir universāla parādība, kas neaprobežojas ar supervadītāju pasauli, bet ir piemērojama arī kvantu gāzēm. Turklāt tas paver jaunas iespējas pētīt likumus, kas regulē sarežģītas kvantu sistēmas, kontrolējamākos un vizualizējamākos apstākļos.
Kvantu modelēšana ar eksperimentālu precizitāti
Vissvarīgākais aspekts šajā darbā ir tas, ka tas pārsniedz virspusēju imitāciju. Eksperiments precīzi atkārto vairākus sākotnējās parādības galvenos aspektus, tostarp matemātisko atkarību starp stimula frekvenci un pakāpiena augstumu. Pētnieki apstiprina, ka „ķīmisko potenciālu starpība ∆µ tiek kvantizēta kā ∆µ = nhfₘ, kur n ir pakāpes numurs, h ir Planka konstante, bet fₘ ir stimula frekvence”.
Pateicoties aukstu atomu īpašībām, kļuva iespējams pētīt izraisītāju izplatīšanos, kas izraisa šos posmus . Pētnieku grupa atklāja, ka katrs posms ir saistīts ar solitoņu parādīšanos — blīvuma viļņiem, kas pārvietojas caur gāzi. Šajā gadījumā tās tika identificētas kā virpuļgredzeni — kvantu struktūras, kas rodas, kad optiskais barjeras šķērso kondensātu. Šie uzbudinājumi ir atbildīgi par atomu nelīdzsvarotību un, līdz ar to, par izmērāmo efektu.
Turklāt rezultāti tika apstiprināti ar skaitliskām simulācijām, kas atkārtoja sistēmas uzvedību tajos pašos eksperimentālajos apstākļos. Teorijas un novērojumu saskaņotība apstiprina ideju, ka šo iekārtu var izmantot kā kvantu modelēšanas instrumentu metroloģiskiem un fundamentāliem mērķiem.
Ceļā uz jaunu bezelektronisko elektroniku
Šis darbs ne tikai reproducē zināmo efektu, bet arī piedāvā iespējamu jaunu tehnoloģisko arhitektūru . Komanda pieņem, ka vairākas šādas sistēmas var savienot, lai veidotu pilnīgas atomu ķēdes . Elektronu vietā atomi, ko vada lāzera gaisma, pārvietosies struktūrās, kas izstrādātas mikrometru mērogā.
Šī jauna joma tiek saukta par „atomtroniku”, un tai ir daudz pielietojumu, sākot no kvantu aprēķiniem līdz lauku vai interferences noteikšanai. Īpaši interesanti ir tas, ka šīs sistēmas ļauj tieši novērot daļiņu kustību, kas nav iespējams ar parasto elektroniku. Kā norādīja viens no autoriem: „Atomu shēmas ir īpaši piemērotas koherento efektu, t.i., viļņveida uzvedības, novērošanai”.
Nākotnē šis pētījumu virziens būs vērsts ne tikai uz Džozefsona pāreju reproducēšanu, bet arī uz citu elektronisko komponentu reproducēšanu atomu līmenī. Tas ļaus detalizēti izpētīt, kā rodas kolektīvās kvantu parādības un kā tās var kontrolēt, lai radītu precīzākas, stabilākas un mērogojamākas ierīces.
