當前技術中一些最重要的量子效應發生在幾乎無法看見的尺度上。其中一種現象，稱為約瑟夫遜效應，正是量子電腦、超精密電壓標準以及用於測量大腦活動的靈敏醫療工具的核心。然而，儘管這一效應的重要性，約瑟夫遜接點內部的微觀過程仍然在很大程度上是隱藏的。如今，德國的研究人員找到了一種揭示這些過程的方法。通過利用超冷原子雲重現這一固態量子效應，他們直接觀測到了沙皮羅階梯——這是一種曾經被認為僅存在於超導體中的關鍵量子現象。
我們的實驗首次能夠可視化所產生的激發。這一效應現在出現在一個完全不同的物理系統中，即超冷原子集團，證實了沙皮羅階梯是一種普遍現象，領導研究的赫維格·奧特（Herwig Ott）表示。根據研究人員的說法，這一成就為開辟新的研究、可視化和最終控制量子行為的方法邁出了重要一步。
傳統的約瑟夫遜接點由兩個超導體組成，之間隔著一個極薄的絕緣屏障。量子力學允許電流無阻力地穿越這一屏障。當電流強度足夠時，耗散現象會出現。如果接點同時暴露在微波輻射下，電流-電壓曲線會發展出平坦的平臺，稱為沙皮羅階梯。這些階梯如此可靠，以至於成為全球電壓標準的基礎。
然而，這些階梯背後的微觀過程、能量如何損失及激發如何形成幾乎無法在固體超導體中直接觀察到。為了克服這一挑戰，RPTU團隊轉向了一種稱為量子模擬的技術。研究人員使用了玻色-愛因斯坦凝聚態（BECs），這是一種超冷氣體，原子以集體方式表現得像一個單一的量子波。他們創建了兩個這樣的凝聚態，並使用一束聚焦的激光光束形成的極薄光學屏障將它們分開。這一設置作為一個原子約瑟夫遜接點。
為了模擬微波輻射的效果，團隊以周期性調制的速度來回移動激光屏障。這一運動在超導接點中發揮著交變電磁場的相同作用。當屏障移動時，原子在兩個凝聚態之間流動，研究人員測量了產生的化學勢差，這是原子的電壓等價物。結果令人驚訝，沙皮羅階梯在原子系統中出現。一種源於固態物理的量子力學效應被轉移到完全不同的系統中——其本質卻保持不變。這在電子與原子的量子世界之間架起了橋樑，奧特說。
實驗清楚證明了沙皮羅階梯確實是普遍的，不僅出現在電子超導體中，還出現在超冷原子氣體中。這也證實了其基本物理學僅依賴於基本常數和驅動頻率，而不依賴於具體的粒子。此外，研究表明，原子系統以固體材料無法實現的方式使量子行為可見，提供了一個強大的新平台來研究耗散、相干性和非平衡量子動力學。
然而，當前的設置仍然是一個簡化的模型，尚未能夠重現真實電子電路的全部複雜性。接下來，研究人員計劃連接多個原子約瑟夫遜接點，創建完整的原子電路——這是一個不斷增長的領域，稱為原子電子學。這些電路可以作為未來量子技術的測試平台，幫助科學家更深入地理解電子元件的微觀層面。該研究發表於《科學》期刊。
