Tämä koe ei luonut todellisia ”kvanttiaivoja”, mutta se loi atomisen alustan, joka jäljittelee kvanttisähköpiirin toimintaa. Metafora auttaa meitä ymmärtämään, että atomien ja valon avulla voimme tarkasti jäljitellä sitä, mitä tapahtuu suprajohtavissa järjestelmissä.
Sisällysluettelo
Maailman johtavissa laboratorioissa kvanttifysiikka on tulossa käytännön välineeksi ilmiöiden tutkimiseen, jotka aiemmin tunnettiin vain teoriassa tai todellisuutta lähellä olevissa olosuhteissa. Nyt ryhmä tutkijoita on onnistunut toistamaan suprajohtavan elektroniikan tyypillisen vaikutuksen ultrakylmissä atomijärjestelmissä. Tämä ei ole tavallinen koe: heidän luomansa järjestelmä toimii melkein kuin sähköpiiri, mutta johtojen ja elektronien sijaan se käyttää atomeja ja laservaloa.
Tulos on yhtä yllättävä kuin lupaava. Shapiro-Wilde-vaiheet havaittiin ensimmäistä kertaa ”atomisen Josephson-siirtymän” järjestelmässä, joka koostuu kylmien atomien kvanttikaasusta. Toisin sanoen, aiemmin vain suprajohteille tunnettu ilmiö toistettiin atomien maailmassa. Science-lehdessä julkaistu tutkimus osoittaa, että kvanttielektroniikan avainilmiö voidaan siirtää täysin eri ympäristöön: Bose-Einstein-kondensaatteihin.
Josephsonin siirtymä… mutta atomien kanssa.
Josephsonin siirtymät ovat erittäin pieniä rakenteita, jotka erottavat kaksi suprajohtavaa materiaalia ohuella esteellä. Näennäisestä yksinkertaisuudestaan huolimatta ne mahdollistavat virran kulun ilman vastusta kollektiivisen kvantti-ilmiön ansiosta. Ne ovat tärkeitä monissa sovelluksissa, tarkkojen mittausjärjestelmien ytimistä kvanttitietokoneisiin. Niiden sisällä mikroskooppisella tasolla tapahtuvien prosessien tutkiminen on kuitenkin erittäin vaikeaa, koska kvanttiprosessit tapahtuvat erittäin nopeasti ja mikroskooppisessa tilassa.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi Hervig Ottin johtama ryhmä ehdotti toista lähestymistapaa. He halusivat luoda samanlaisen järjestelmän, mutta käyttämällä kylmiä atomeja elektronien sijaan. Erityisesti he käyttivät rubidiumatomien Bose-Einstein-kondensaattia – kvanttitilaa, jossa miljoonat atomit käyttäytyvät yhtenä kokonaisuutena. Tämän kvanttikaasun hajottamiseksi he käyttivät fokusoitua laseria, joka loi liikkuvan optisen esteen. Tämän laitteen avulla he onnistuivat luomaan jotain, jota voidaan kuvata atomiversiona Josephsonin siirtymästä.
Mielenkiintoista on, että esteen jaksottaisella liikkeellä, ikään kuin vaihtovirtaa syötettäisiin, ilmestyi Shapiron portaat: portaat kemiallisten potentiaalien erossa, jotka vastaavat jännitteen hyppyjä, joita havaitaan suprajohtavissa laitteissa. Tämä on ensimmäinen tapaus, jossa tällaisia ilmiöitä on visualisoitu atomien ja valon muodostamassa järjestelmässä.
Mitä Shapiron portaat ovat ja miksi ne ovat tärkeitä?
Kvanttielektroniikassa Shapiron portaat luodaan soveltamalla vaihtovirtaa tasavirtaan Josephsonin siirtymässä. On havaittu, että jännite ei kasva jatkuvasti, vaan nousee erittäin tarkasti, ja sen korkeus riippuu vain perusvakioista, kuten käytetystä taajuudesta ja Planckin vakiosta. Tämä ilmiö on niin tarkka, että sitä käytetään kansainvälisenä standardina voltin määrittämisessä.
Saksalaisen tiimin saavutus on osoittaa, että sama ilmiö voidaan havaita täysin eri järjestelmässä. Kirjoittajien mukaan ”portaat ilmestyvät kemiallisten potentiaalien eroon, ja niiden korkeus kvantisoituu ulkoisen vaikutuksen taajuudella”. Sähkövirran mittaamisen sijaan mitataan atomien tiheyden epätasapaino esteen molemmin puolin.
Tämä havainto on paljon enemmän kuin pelkkä akateeminen uteliaisuus. Se vahvistaa, että Shapiron ilmiö on universaali ilmiö, joka ei rajoitu suprajohteiden maailmaan, vaan on sovellettavissa myös kvanttikaasuihin. Lisäksi se avaa uusia mahdollisuuksia tutkia monimutkaisia kvanttijärjestelmiä ohjaavia lakeja paremmin hallittavissa ja visualisoitavissa olosuhteissa.
Kvanttimallinnus kokeellisella tarkkuudella
Tämän työn tärkein näkökohta on se, että se ylittää pinnallisen jäljittelyn rajat. Koe toistaa tarkasti useita alkuperäisen ilmiön avaintekijöitä, mukaan lukien matemaattisen riippuvuuden stimulaation taajuuden ja askelman korkeuden välillä. Tutkijat vahvistavat, että ”kemiallisten potentiaalien ero ∆µ kvantisoituu muodossa ∆µ = nhfₘ, jossa n on askelman numero, h on Planckin vakio ja fₘ on stimulaation taajuus”.
Kylmien atomien ominaisuuksien ansiosta on ollut mahdollista tutkia näitä vaiheita aiheuttavien laukaisimien leviämistä. Tutkimusryhmä havaitsi, että jokainen vaihe liittyy solitonien, eli kaasussa leviävien tiheysaaltojen, esiintymiseen. Tässä tapauksessa ne tunnistettiin pyörrekehäiksi – kvanttirakenteiksi, jotka syntyvät, kun optinen este kulkee kondensaatin läpi. Nämä viritykset ovat vastuussa atomien epätasapainosta ja siten mitattavissa olevasta vaikutuksesta.
Lisäksi tulokset vahvistettiin numeerisilla simulaatioilla, jotka toistivat järjestelmän käyttäytymisen samoissa kokeellisissa olosuhteissa. Teorian ja havaintojen yhdenmukaisuus vahvistaa ajatuksen, että tätä laitteistoa voidaan käyttää kvanttimallinnuksen välineenä metrologisiin ja perustutkimustarkoituksiin.
Kohti uutta langatonta elektroniikkaa
Tämä työ ei ainoastaan toista tunnettua ilmiötä, vaan tarjoaa myös mahdollisen uuden teknologisen arkkitehtuurin. Tiimi esittää hypoteesin, että useita tällaisia järjestelmiä voidaan yhdistää muodostaen täydellisiä atomiketjuja. Elektronien sijaan laserilla ohjattavat atomit liikkuvat mikrometrin mittakaavassa suunnitelluissa rakenteissa.
Tämä uusi ala on nimeltään ”atomtroniikka”, ja sillä on monia sovelluksia kvanttilaskennasta kenttien tai interferenssin havaitsemiseen. Erityisen mielenkiintoista on, että nämä järjestelmät mahdollistavat hiukkasten liikkeen suoran havainnoinnin, mikä ei ole mahdollista tavanomaisella elektroniikalla. Kuten yksi kirjoittajista totesi: ”Atomiset piirit sopivat erityisen hyvin koherenttien ilmiöiden, eli aaltokäyttäytymisen, havainnointiin”.
Tulevaisuudessa tämä tutkimussuunta keskittyy paitsi Josephson-siirtymien toistamiseen myös muiden elektronisten komponenttien toistamiseen atomitasolla. Tämä mahdollistaa yksityiskohtaisen tutkimuksen siitä, miten kollektiiviset kvantti-ilmiöt syntyvät ja miten niitä voidaan hallita tarkempien, vakaampien ja skaalautuvampien laitteiden luomiseksi.
