Os físicos fizeram os átomos se comportarem como um circuito quântico

Para superar esse desafio, pesquisadores da Universidade RPTU de 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 foi movido de forma controlada e periódica. Mesmo neste sistema atômico, surgiram as assinaturas definidoras das junções Josephson. O experimento revelou etapas de Shapiro, que são platôs de tensão distintos que aparecem em múltiplos de uma frequência de acionamento, assim como acontece em dispositivos supercondutores. Publicado na revista Ciênciao trabalho é um exemplo claro de como a simulação quântica pode revelar a física oculta.

Por que as junções Josephson são importantes

À primeira vista, uma junção Josephson tem uma estrutura simples. Consiste em dois supercondutores separados por uma camada isolante extremamente fina. No entanto, esta configuração básica produz um poderoso efeito mecânico quântico que sustenta algumas das tecnologias mais avançadas da atualidade. Os contatos Josephson formam o núcleo de muitos computadores quânticos e tornam possível medir campos magnéticos extraordinariamente fracos.

Essas medições são cruciais em aplicações como a magnetoencefalografia (MEG), uma técnica de imagem médica usada para detectar sinais magnéticos gerados pela atividade no cérebro humano. A precisão das junções Josephson é o que torna possíveis diagnósticos tão sensíveis.

Tornando observáveis ​​efeitos quânticos invisíveis

O desafio das 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 simulação quântica, uma estratégia que mapeia um sistema quântico complexo em outro diferente, mais fácil de controlar e observar.

Ao recriar a física essencial num novo ambiente, os investigadores podem explorar efeitos que de outra forma permaneceriam ocultos. Esta abordagem permite aos cientistas testar ideias fundamentais e confirmar se certos comportamentos são verdadeiramente universais em diferentes sistemas físicos.

Recriando o efeito Josephson com Ultracold Atoms

Na RPTU, uma equipe experimental liderada por Herwig Ott aplicou a simulação quântica 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 esta barreira periodicamente, 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 do contato Josephson. Na versão atômica do experimento, a barreira móvel do laser desempenhou o mesmo papel, permitindo à equipe imitar de perto o comportamento das junções eletrônicas usando átomos.

Os passos de Shapiro são um fenômeno universal

Os resultados do experimento foram impressionantes. O sistema atômico exibia passos claros de Shapiro, que são platôs de tensão quantizados usados ​​em todo o mundo para calibrar a tensão elétrica. Essas 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 as excitações resultantes. O facto de este efeito aparecer agora num sistema físico completamente diferente – um conjunto de átomos ultrafrios – confirma que os passos de Shapiro são um fenómeno universal,” afirma Herwig Ott.

Unindo os mundos quânticos de átomos e elétrons

O estudo foi realizado 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 equipas demonstraram como um efeito bem conhecido da física do estado sólido pode ser reproduzido fielmente num ambiente totalmente diferente.

O trabalho serve como um exemplo clássico de simulação 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 a sua essência permanece a mesma. Isto constrói pontes entre os mundos quânticos dos eletrões e dos átomos.”

Usando circuitos atômicos para explorar a física quântica

Olhando para o futuro, Ott e seus colegas planejam ligar múltiplas junções atômicas para formar circuitos completos feitos de átomos. Nesses sistemas, os átomos se moveriam através do circuito em vez dos elétrons, uma área emergente de pesquisa conhecida como “atomtrônica”.

“Tais circuitos são particularmente adequados para observar efeitos coerentes, ou seja, efeitos semelhantes a ondas”, diz Erik Bernhart, que realizou as experiências como parte da sua investigação de doutoramento. 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 queremos replicar outros componentes fundamentais conhecidos da eletrônica para nossos átomos e compreendê-los precisamente no nível microscópico.”