As transições de Josephson desempenham um papel central na física e na tecnologia modernas. Eles fornecem medições extremamente precisas, definem o padrão internacional para tensão elétrica e servem como componentes essenciais em muitos computadores quânticos. Apesar da sua importância, os processos em escala quântica que ocorrem dentro dos supercondutores são notoriamente difíceis de observar diretamente.
Para superar este problema, os pesquisadores da RPTU Kaiserslautern-Landau recorreram à simulação quântica. Em vez de estudar os elétrons dentro de um material sólido, eles recriaram o efeito Josephson usando átomos ultrafrios. A abordagem deles envolveu a separação de dois condensados de Bose-Einstein (BECs) com uma barreira óptica excepcionalmente fina criada por um feixe de laser focado que se movia de forma periódica controlada. Mesmo neste sistema atômico, apareceram as características definidoras dos compostos Josephsonianos. O experimento revelou etapas de Shapiro, que são platôs de tensão distintos que aparecem em uma frequência múltipla da frequência de acionamento, assim como em dispositivos supercondutores. Está publicado na revista CiênciaO trabalho é um excelente exemplo de como as simulações quânticas podem revelar a física oculta.
Por que os desfechos de Josephson são importantes
À primeira vista, o composto Josephson possui uma estrutura simples. Consiste em dois supercondutores separados por uma camada isolante muito fina. No entanto, esta configuração básica cria um poderoso efeito mecânico quântico que está subjacente a algumas das tecnologias mais avançadas da atualidade. Os contatos Josephson formam o núcleo de muitos computadores quânticos e permitem a medição de campos magnéticos extremamente fracos.
Essas medições são críticas em aplicações como a magnetoencefalografia (MEG), uma técnica de imagem médica usada para detectar sinais magnéticos gerados pela atividade no cérebro humano. A precisão dos compostos Josephson é o que torna possível um diagnóstico tão sensível.
Tornando observáveis efeitos quânticos invisíveis
O problema com as junções Josephson é que seu comportamento se desenvolve no nível dos quanta individuais. Dentro de um supercondutor, esses processos microscópicos não podem ser facilmente rastreados ou visualizados. Para estudá-los em detalhes, os físicos contam com a modelagem quântica, uma estratégia que mapeia um sistema quântico complexo em outro que é mais fácil de controlar e observar.
Ao recriar a física essencial num novo ambiente, os investigadores podem investigar efeitos que de outra forma permaneceriam ocultos. Esta abordagem permite aos cientistas testar ideias fundamentais e confirmar se certos comportamentos são de facto universais em diferentes sistemas físicos.
Reproduzindo o efeito Josephson com átomos ultrafrios
Na RPTU, um grupo experimental liderado por Gerwig Ott aplicou simulações quânticas diretamente ao efeito Josephson. Em vez de usar supercondutores, eles trabalharam com um gás ultrafrio de átomos conhecido como condensado de Bose-Einstein. Dois desses condensados foram separados por uma estreita barreira óptica formada por um feixe de laser focalizado. Ao mover periodicamente esta barreira, os investigadores recriaram condições semelhantes às de uma junção Josephson supercondutora exposta à radiação de microondas.
Em dispositivos convencionais, a radiação de micro-ondas induz uma corrente alternada adicional através de um contato Josephson. Na versão atômica do experimento, uma barreira de laser móvel desempenhou o mesmo papel, permitindo à equipe imitar de perto o comportamento das conexões eletrônicas usando átomos.
Os passos de Shapiro são um fenômeno universal
Os resultados do experimento foram surpreendentes. O sistema atômico exibiu etapas distintas de Shapiro, que são platôs de tensão quantizados usados em todo o mundo para calibrar tensões elétricas. Estas etapas dependem apenas das constantes fundamentais e da frequência da modulação aplicada, tornando-as a base do padrão global de tensão para o “volt”.
“Na nossa experiência, conseguimos visualizar pela primeira vez a excitação resultante. O facto de este efeito aparecer agora num sistema físico completamente diferente – conjuntos de átomos ultrafrios – confirma que os passos de Shapiro são um fenómeno universal,” afirma Herwig Ott.
Superando os mundos quânticos de átomos e elétrons
A pesquisa foi realizada em colaboração com os físicos teóricos Ludwig Matti, da Universidade de Hamburgo, e Luigi Amico, do Instituto de Inovação Tecnológica de Abu Dhabi. Juntas, as equipes demonstraram como um efeito bem conhecido da física do estado sólido pode ser reproduzido com precisão em ambientes completamente diferentes.
O trabalho serve como um exemplo clássico de modelagem quântica. Como explica Herwig Ott, “um efeito da mecânica quântica da física do estado sólido é transferido para um sistema completamente diferente – e ainda assim sua essência permanece a mesma. Ele constrói pontes entre os mundos quânticos dos elétrons e dos átomos”.
Usando cadeias atômicas para estudar física quântica
Olhando para o futuro, Ott e seus colegas planejam ligar vários compostos atômicos para formar cadeias completas de átomos. Nestes sistemas, os átomos se moverão através do circuito em vez dos elétrons, um novo campo de pesquisa conhecido como “atomtrônica”.
“Tais circuitos são particularmente adequados para observar efeitos coerentes, ou seja, efeitos semelhantes a ondas”, diz Eric Bernhart, que conduziu os experimentos como parte de sua pesquisa de doutorado. Ao contrário dos electrões em materiais sólidos, os átomos nestas cadeias podem ser observados directamente à medida que se movem, proporcionando uma imagem mais clara do comportamento quântico. “Também queremos replicar os outros componentes fundamentais conhecidos da eletrônica para os nossos átomos e compreendê-los precisamente no nível microscópico.”
