物理学家让原子表现得像量子电路

为应对研究挑战，凯泽斯劳滕-兰道大学（RPTU）的研究人员借助量子模拟技术，没有研究固体材料内部的电子，而是利用超冷原子重现了约瑟夫森效应。他们用聚焦激光束（以可控的周期性方式移动）创建极薄光学势垒，分隔两个玻色-爱因斯坦凝聚体（BECs）。即便在该原子系统中，约瑟夫森结的标志性特征仍显现，实验观察到了夏皮罗台阶——与超导器件中一样，在驱动频率整数倍处出现的明显电压平台。这项发表于《科学》杂志的研究，清晰展示了量子模拟如何揭示隐藏的物理现象。

为何约瑟夫森结至关重要？乍看之下，其结构简单：由两个超导体和中间极薄绝缘层构成。但这种基础结构产生的强大量子力学效应，支撑着当今诸多先进技术。它是许多量子计算机的核心，还能测量极弱磁场，这在脑磁图（MEG，检测人脑活动磁信号的医学成像技术）等应用中至关重要，正是其高精度实现了这类灵敏诊断。

约瑟夫森结的研究难点在于其行为发生在单个量子层面，超导体内部的微观过程难以追踪和可视化。为此，物理学家依靠量子模拟——将复杂量子系统映射到更易控制观测的系统，在新环境中重现关键物理过程，从而探索隐藏效应，验证基本理论并确认行为在不同物理系统中的普适性。

在RPTU，赫尔维希·奥特领导的团队将量子模拟直接应用于约瑟夫森效应。他们用超冷原子气体（玻色-爱因斯坦凝聚体）替代超导体，用聚焦激光束形成的狭窄光学势垒分隔两个凝聚体。通过周期性移动势垒，重现了超导约瑟夫森结在微波辐射下的条件。传统器件中微波辐射诱导交变电流，而原子实验中移动的激光势垒起到相同作用，实现了用原子模拟电子结行为。

实验结果显著：原子系统呈现清晰的夏皮罗台阶，这是全球用于校准电压的量子化电压平台，仅取决于基本常数和外加调制频率，是“伏特”全球电压标准的基础。奥特表示：“我们首次可视化了由此产生的激发态。该效应在超冷原子系综这一完全不同的物理系统中出现，证实夏皮罗台阶是普适现象。”

该研究与汉堡大学的路德维希·马泰和阿布扎比技术创新研究所的路易吉·阿米科合作完成，共同证明固态物理学中的著名效应能在完全不同环境中精准重现，堪称量子模拟典范。奥特解释：“固态物理的量子力学效应被转移到全新系统，本质未变，在电子与原子的量子世界间架起桥梁。”

展望未来，奥特团队计划连接多个原子结，构建完整的原子电路——“原子电子学”新兴领域。实验主要完成者埃里克·伯恩哈特称，这类电路特别适合观测相干效应（类波效应），与固体材料中的电子不同，其中的原子移动时可直接观测，能更清晰呈现量子行为。他们还希望为原子重现电子学中的其他基本元件，并在微观层面精确理解它们。