Os nós Josephson desempenham um papel central na física e na tecnologia modernas. Eles permitem medições extremamente precisas, definem padrões internacionais de tensão e servem como componentes vitais em muitos computadores quânticos. Apesar da sua importância, os processos em escala quântica que ocorrem dentro dos supercondutores são difíceis de observar diretamente.
Para superar esse desafio, pesquisadores da Universidade RPTU Kaiserslautern-Landau recorreram a simulações quânticas. Em vez de estudar elétrons em materiais sólidos, eles recriaram o efeito Josephson usando átomos ultrafrios. Seu método envolve a separação de dois condensados de Bose-Einstein (BECs) usando uma barreira óptica ultrafina criada por um feixe de laser focado que se move de maneira periódica controlada. Mesmo neste sistema atômico, aparecem as características definidoras da junção Josephson. O experimento revelou um passo de Shapiro, um platô de tensão distinto que ocorre em múltiplos da frequência de acionamento, como em dispositivos supercondutores. publicado em revista ciênciaeste trabalho é um exemplo claro de como as simulações quânticas podem revelar a física oculta.
Por que as juntas Josephson são importantes
À primeira vista, a estrutura do nó Josephson é simples. Consiste em dois supercondutores separados por uma camada extremamente fina de isolamento. No entanto, esta configuração básica cria poderosos efeitos mecânicos quânticos que sustentam algumas das tecnologias mais avançadas da atualidade. O contato Josephson constitui o núcleo de muitos computadores quânticos e torna possível medir campos magnéticos extremamente fracos.
Essas medições são críticas para aplicações como a magnetoencefalografia (MEG), uma técnica de imagem médica usada para detectar sinais magnéticos gerados pela atividade cerebral humana. A precisão dos nós de Josephson torna possível esse diagnóstico sensível.
Tornando visíveis os efeitos quânticos invisíveis
O desafio dos nós Josephson é que seu comportamento se desenvolve no nível quântico individual. Dentro de um supercondutor, esses processos microscópicos não podem ser facilmente rastreados ou visualizados. Para estudá-los em detalhes, os físicos contam com simulações quânticas, uma estratégia que mapeia sistemas quânticos complexos em diferentes sistemas que são mais fáceis de controlar e observar.
Ao reconstruir princípios físicos básicos em novos ambientes, os pesquisadores podem explorar efeitos que de outra forma estariam ocultos. Esta abordagem permite aos cientistas testar ideias básicas e confirmar se certos comportamentos são verdadeiramente universais em diferentes sistemas físicos.
Recriando o Efeito Josephson com átomos ultrafrios
Na RPTU, uma equipe experimental liderada por Herwig Ott aplica simulações quânticas diretamente ao efeito Josephson. Em vez de usar supercondutores, eles usaram um gás ultrafrio de átomos chamado condensado de Bose-Einstein. Duas dessas condensações são separadas por uma estreita barreira óptica criada por um feixe de laser focalizado. Ao mover periodicamente esta barreira potencial, os investigadores recriaram condições semelhantes às observadas nas junções Josephson supercondutoras expostas à radiação de microondas.
Em dispositivos convencionais, a radiação de microondas induz corrente alternada adicional através dos contatos Josephson. Numa versão atómica da experiência, uma barreira laser móvel serve o mesmo propósito, permitindo à equipa utilizar átomos para imitar de perto o comportamento das junções electrónicas.
A escada de Shapiro é um fenômeno comum
Os resultados do experimento foram surpreendentes. Os sistemas atômicos exibem passos claros de Shapiro, uma plataforma de tensão quantificada usada em todo o mundo para calibrar tensões. Estas etapas dependem apenas das constantes fundamentais e da frequência da modulação aplicada, tornando-as a base do padrão global de tensão “Volt”.
“Em nossos experimentos, pela primeira vez fomos capazes de visualizar as excitações resultantes. O fato de esse efeito agora ocorrer em um sistema físico completamente diferente – uma coleção de átomos ultrafrios – confirma que a escada de Shapiro é um fenômeno universal”, diz Hervig Ott.
Conectando o mundo quântico de átomos e elétrons
A pesquisa foi conduzida em colaboração com os físicos teóricos Ludwig Mathey, da Universidade de Hamburgo, e Luigi Amico, do Instituto de Inovação Tecnológica de Abu Dhabi. Juntas, as equipes demonstraram como os conhecidos efeitos da física do estado sólido podem ser reproduzidos fielmente em ambientes completamente diferentes.
Este trabalho serve como um exemplo clássico de simulação quântica. Como explica Herwig Ott: “Os efeitos da mecânica quântica da física do estado sólido são transferidos para um sistema completamente diferente, mas sua essência permanece a mesma. Isso cria uma ponte entre o mundo quântico dos elétrons e dos átomos.”
Usando circuitos atômicos para explorar a física quântica
No futuro, Ott e seus colegas planejam conectar múltiplas junções atômicas para formar circuitos completos feitos de átomos. Nestes sistemas, os átomos se moverão em circuitos em vez dos elétrons, um campo emergente de pesquisa conhecido como “eletrônica atômica”.
“Tal circuito é particularmente adequado para observar efeitos coerentes, ou seja, efeitos semelhantes a ondas”, diz Eric Bernhardt, que realizou os experimentos como parte de seus estudos de doutorado. Ao contrário dos electrões em materiais sólidos, os átomos nestes circuitos podem ser observados directamente à medida que se movem, proporcionando uma visão mais clara do comportamento quântico. “Também esperamos replicar outros componentes fundamentais dos átomos conhecidos na eletrônica e compreendê-los precisamente no nível microscópico.”
