Nowość polega na tym, że to, co zwykle „dzieje się” w cienkiej warstwie między dwoma nadprzewodnikami, udało się odtworzyć w zupełnie innym środowisku: w gazie ultrazimnych atomów. I co ważniejsze, w takim układzie można podejrzeć procesy, które w ciele stałym są jak czarna skrzynka.
Kroki Shapiro w skrócie: schodki, które trzymają świat w ryzach
W klasycznym złączu Josephsona prąd może płynąć bez oporu przez barierę izolacyjną, dopóki nie przekroczysz pewnej granicy, wtedy pojawia się „cena” w postaci strat i napięcia. Gdy do tego dołożysz wymuszenie okresowe, na charakterystyce prąd napięcie pojawiają się płaskie odcinki, czyli właśnie kroki Shapiro.
Najbardziej eleganckie jest to, że wysokości tych kroków wynikają z częstotliwości wymuszenia oraz stałych fundamentalnych. Czyli w uproszczeniu, zamiast ufać kaprysom materiałów, można oprzeć się na matematyce Wszechświata. Taka niezawodność to powód, dla którego to zjawisko stało się fundamentem standardu volta.
A teraz wyobraź sobie, że chcesz zrozumieć, skąd dokładnie biorą się straty energii i jakie wzbudzenia „rodzą się” w złączu, gdy zaczyna ono tracić idealność. W nadprzewodniku to prawie niewidoczne. W ultrazimnych atomach da się to dosłownie zobaczyć w przestrzeni i czasie.
Jak zrobiono złącze Josephsona z atomów?
Zamiast dwóch nadprzewodników badacze przygotowali dwa kondensaty Bosego Einsteina, czyli ultrazimne chmury atomów zachowujące się jak jedna fala materii. Rozdzielono je bardzo cienką barierą optyczną wytworzoną laserem, która pełni rolę słabego połączenia, odpowiednika tunelowania w elektronice.
Potem pojawia się sprytny zabieg: barierę poruszano ruchem złożonym, jednocześnie przesuwając ją w jedną stronę i nakładając na to okresową modulację. W języku analogii to odpowiednik sytuacji, gdy złącze w elektronice dostaje składową stałą i zmienną, tak jak przy klasycznym eksperymencie z mikrofalami.
W tym układzie nie mierzy się napięcia wprost, tylko różnicę potencjału chemicznego między dwiema częściami chmury, czyli atomowy odpowiednik napięcia. Gdy zebrano dane, pojawiły się wyraźne plateau, a ich wartości układały się w schodki powiązane z częstotliwością wymuszenia.
Najciekawsze nie są same schodki, tylko to, co zdradzają o stratach energii
Kroki Shapiro nie są tu wyłącznie efektem geometrycznym czy sztuczką pomiarową. One są sprzężone z konkretną mikrodynamiką układu, czyli z tym, jak powstają wzbudzenia i jak układ oddaje energię. Wprost pojawia się wątek emisji fononów oraz nukleacji wzbudzeń solitonowych.
To jest kluczowe, bo w złączach nadprzewodnikowych słowo „dysypacja” często jest hasłem zbiorczym. W atomach można śledzić, co się rozchodzi, skąd, jak szybko i jak to koreluje z tym, na którym „schodku” pracuje układ. Nagle zjawisko znane z podręczników dostaje warstwę biologii terenowej, tylko że zamiast zwierząt obserwujesz kwantowe wzbudzenia.
Jest też wątek, który może zainteresować bardziej praktycznych czytelników: skoro wysokość kroku łączy potencjał chemiczny z dostrajanym sygnałem o znanej częstotliwości, to taki układ można wykorzystać jako bardzo czułe narzędzie do badania własności superpłynów, w tym do wyciągania informacji o równaniu stanu w reżimach silnych korelacji.
Naturalnym kierunkiem rozwoju jest łączenie wielu takich złączy w większe układy, coś na kształt obwodów, tylko że zamiast elektronów płyną atomy. Ten obszar już ma nazwę, atomtronika, i od lat kusi tym, że daje świetną kontrolę parametrów oraz wyjątkową możliwość bezpośredniej obserwacji przepływu.
Dla świata elektroniki to może być więcej niż ciekawostka. Jeśli da się w czystym, regulowanym układzie przetestować, kiedy i dlaczego pojawiają się straty, a potem przełożyć to na intuicję dotyczącą prawdziwych złączy Josephsona, to zyskują wszyscy: od metrologii, przez SQUIDy i czułe czujniki, po rozwój stabilniejszych elementów dla technologii kwantowych.
Jasne, to wciąż model, który nie odtworzy całej złożoności materiałów, defektów i szumów w realnych układach. Ale czasem właśnie o to chodzi, żeby na chwilę zdjąć zjawisku cały brud świata i zobaczyć jego rdzeń.
Ja to czytam jak próbę zrobienia z kwantowego efektu czegoś namacalnego. Nie w sensie spłycania, tylko w sensie dania nauce lupy, której do tej pory brakowało. Złącza Josephsona są wszędzie tam, gdzie liczy się skrajna precyzja, a mimo to w wielu aspektach nadal uczymy się ich zachowania metodą na skróty.
Podoba mi się też wątek uniwersalności, bo on ma w sobie coś uspokajającego. Jeśli ten sam mechanizm schodków wychodzi w elektronach i w atomach, to znaczy, że nie gonimy przypadkowej sztuczki materiałowej, tylko dotykamy czegoś głębszego, co naprawdę zależy od częstotliwości, fazy i stałych natury.
A z perspektywy rynku technologii kwantowych to może być jeszcze ważniejsze. Dziś największym wrogiem jest nie brak pomysłów, tylko kontrola nad stratami i stabilnością. Jeśli ultrazimne atomy pomogą opisać dysypację językiem, który da się potem przełożyć na projektowanie lepszych elementów, to to będzie news, który wróci do nas nie raz, tylko już w postaci konkretnych narzędzi.