تماسهای جوزفسونی اتمی: چگونه یخچالهای بوز‑آینشتین پلههای شاپیرو را بازآفرینی میکنند
توسط جولیا رایشلت، دانشگاه کایزرزلاوترن‑لاندو
مشاهدهٔ مستقیم فرآیندهای میکروسکوپی که در ابررساناها رخ میدهند، دشوار است. پژوهشگران دانشگاه RPTU کایزرزلاوترن‑لاندو به همین دلیل یک شبیهسازی کوانتومی از اثر جوزفسون اجرا کردند: آنها دو یخچال بوز‑آینشتین (BEC) را با بهرهگیری از یک مانع نوری فوقالعاده نازک از هم جدا کردند.
پلههای شاپیرو ویژگیدار در سامانهٔ اتمی مشاهده شد. این تحقیق در مجله Science منتشر شد.
دو ابررسانا که توسط لایهای عایق به ضخامت صفحهوافر از هم جدا شدهاند — این همان سادهبودن یک پیوند جوزفسونی است. با این حال، علیرغم ساختار سادهاش، این پیوند حامل اثری کوانتومی است که امروز بهعنوان یکی از مهمترین ابزارهای فناوری مدرن شناخته میشود: تماسهای جوزفسونی هستهٔ بسیاری از کامپیوترهای کوانتومی را تشکیل میدهند و امکان اندازهگیریهای دقیق—مانند اندازهگیری میدانهای مغناطیسی بسیار ضعیف—را فراهم میکنند.
از این فناوری، بهویژه در مغناطیسسنجی مغزی (MEG) برای تشخیصهای پزشکی به منظور بررسی میدانهای مغناطیسی در مغز استفاده میشود.
قابل توجه است که فرآیندهای رخداده در یک پیوند جوزفسونی در سطح کوانتهای منفرد انجام میشوند و مشاهدهٔ مستقیم آنها در ابررسانا دشوار است.
برای دسترسپذیر کردن این فرآیندهای میکروسکوپی از طریق آزمایش، پژوهشگران از روشی بهنام شبیهسازی کوانتومی استفاده میکنند. بهطور کلی، این روش شامل انتقال یک سیستم کوانتومی پیچیده به سیستمی دیگر است که بهراحتی قابل مشاهده باشد. این امکان را میدهد تا اثراتی که عملاً در محیط معمولی دسترسپذیر نیستند، مورد بررسی قرار گیرند.
در RPTU، تیم تحقیقاتی تجربی بهرهبری هِروِیگ اوت این اصل را بر اثر جوزفسونی اعمال کرده است.
بهجای ابررساناها، آنها از گاز فوقسردی از اتمها، بهنام یخچال بوز‑آینشتین، استفاده کردند. پژوهشگران دو یخچال مشابه را با بهرهگیری از مانعی نوری بسیار نازک که با پرتو لیزر متمرکز ایجاد و بهصورت دورهای حرکت میکرد، از هم جدا کردند.
به این ترتیب، پژوهشگران آنچه در یک پیوند جوزفسونی ابررسانا تحت تابش میکروویو رخ میدهد را شبیهسازی کردند. تابش میکروویو برای ایجاد یک جریان متناوب اضافی در تماس جوزفسونی بهکار میرود.
پلههای شاپیرو یک پدیدهٔ جهانی هستند
نتیجهٔ شبیهسازی کوانتومی چشمگیر بود: پلههای شاپیرو ویژگیدار در سامانهٔ اتمی ظاهر شدند — پلتفرمهای ولتاژ کمیشدهای که برای کالیبرهکردن ولتاژ الکتریکی بهکار میروند. این پلهها تنها به ثابتهای طبیعی و فرکانس مدولاسیون وابستهاند و پایهای را تشکیل میدهند که استاندارد ولت جهانی بر پایهٔ آن واقع میشود.
«در آزمایش خود برای اولینبار توانستیم تکانههای حاصل را بهصورت بصری مشاهده کنیم. اینکه اکنون این اثر در یک سامانهٔ فیزیکی کاملاً متفاوت — مجموعهای از اتمهای فوقسرد — ظاهر میشود، تأیید میکند که پلههای شاپیرو یک پدیدهٔ جهانیاند»، اوت میگوید.
این مطالعه با همکاری گروههای نظری لودویگ ماتِی از دانشگاه هامبورگ و لوییجی آمیکو از مؤسسه نوآوری فناوری در ابوظبی انجام شد. این کار نمونهای کتاب درسی از شبیهسازی کوانتومی ارائه میدهد.
اوت میگوید: «یک اثر مکانیک کوانتومی از فیزیک جامد به یک سامانهٔ کاملاً متفاوت منتقل میشود — و با این حال جوهرهٔ آن ثابت میماند. این کار پلی میسازد بین دنیای کوانتومی الکترونها و اتمها.»
استفاده از اتمها برای درک دنیای الکترونها
در آینده، اوت و تیم او قصد دارند چندین «بلوک ساختمانی» مشابه را بهیکدیگر متصل کنند تا «مدارهای واقعی برای اتمها» بسازند. بهجای الکترونها، اتمها در مدار جریان پیدا میکنند — زمینهای که به «اتومترونیک» شناخته میشود.
اریک برنهارت، که این آزمایشها را بهعنوان دانشجوی دکترا انجام داد، میگوید: «چنین مدارهایی بهویژه برای مشاهدهٔ اثرات همگرا، یعنی اثرات موجی، مناسب هستند.» علاوه بر این، حرکت اتمها میتواند «بهصورت مستقیم» در مدارهای اتمی دیده شود؛ که این امر با الکترونها در مواد جامد بسیار دشوارتر است.
ما همچنین میخواهیم سایر اجزای بنیادی شناختهشده در الکترونیک را برای اتمهای خود بازآفرینی کنیم و آنها را بهدقت در سطح میکروسکوپی درک کنیم.
اطلاعات بیشتر: اریک برنهارت و همکاران، «مشاهدهٔ پلههای شاپیرو در یک پیوند جوزفسونی اتمی فوقسرد»، Science (2025). DOI: 10.1126/science.ads9061
اطلاعات مجله: Science
ارائهشده توسط دانشگاه کایزرزلاوترن‑لاندو
منابع: تماسهای جوزفسونی اتمی: چگونه یخچالهای بوز‑آینشتین پلههای شاپیرو را بازآفرینی میکنند (2025، 12 دسامبر) دریافتشده در ۲۵ دسامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-12-atomic-josephson-contacts-bose-einstein.html
این سند تحت حق تکثیر قرار دارد. به جز هر گونه استفاده منصفانه بهمنظور مطالعات شخصی یا تحقیق، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوا فقط برای اهداف اطلاعرسانی ارائه شده است.