مشاهدهٔ اتمهای فوقسرد در صعود به پلهٔ کوانتومی
توسط CNR-INO
برای اولین بار، دانشمندان پلههای شاپیرو نمادین، یک اثر کوانتومی شبیه به پله، را در اتمهای فوقسرد مشاهده کردند.
در آزمایشی جدید، جریان متناوبی به تقاطع جوزیفسونی اعمال شد که از اتمهایی تشکیل شده بود که نزدیک به صفر مطلق سرد شدهاند و توسط مانعی بسیار نازک از نور لیزر از هم جدا شدهاند. به طرز شگفتانگیزی، اتمها توانستند این مانع را بهصورت جمعی و بدون تلفات انرژی عبور دهند، گویی مانع شفاف باشد، که این امر به لطف تونلزنی کوانتومی امکانپذیر شد.
در حین جریان نوسانی که از طریق تقاطع عبور میکرد، اختلاف پتانسیل شیمیایی بین دو طرف بهطور پیوسته تغییر نکرد، بلکه بهصورت پلههای گسسته و یکنواخت افزایش یافت، مانند صعود به پلهٔ کوانتومی. ارتفاع هر پله مستقیماً توسط فرکانس جریان اعمالشده تعیین میشود و این اختلافهای پتانسیل شیمیایی شبیه به پله، معادل اتمی پلههای شاپیرو در تقاطعهای جوزیفسونی معمولی هستند.
نتایج در نشریه Science منتشر شدهاند.
گروه آزمایشی موجود در آزمایشگاه اروپایی اسپکترومتری غیرخطی (LENS) در سستو فئورنتینو، ایتالیا، این مطالعه را با همکاری پژوهشگرانی از مؤسسه ملی اپتیک (CNR‑INO)، دانشگاه فلورانس، دانشگاه کاتانیا، مؤسسه نوآوری فناوری (TII) در ابوظبی و دانشگاه مستقل ملی مکزیک (UNAM) انجام داد.
تحقیقی مکمل که در دانشگاه RPTU کایزرزلاوترن‑لنداو انجام شد، نیز بهصورت پشت سر هم در همان شماره Science منتشر شد.
«تقاطعهای جوزیفسون در بسترهای ابررسانا حالتجامد، پیش از این بهعنوان بلوکهای سازندهٔ اساسی حسگرهای کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی شناخته میشوند و توسط جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵ بهعنوان ابزارهای کلیدی برای کاوش پدیدههای کوانتومی در مقیاسهای ماکروسکوپی برجسته شدند»، میگوید جیاکومو رئاتی، مدیر پژوهش در CNR‑INO و سرپرست تیم آزمایشی LENS.
«در پیادهسازی با اتمهای فوقسرد، این تقاطعها کنترل بیسابقهای ارائه میدهند و به ما امکان میدهند که بهصورت مستقیم مکانیزمهای میکروسکوپی که سبب رفتار ماکروسکوپی آنها میشوند را بررسی کنیم.»
«بهدلیل درجه بالای کنترل و دقت در دستکاری اتمها، توانستیم مکانیزم همگامسازی فیزیکی را که موجب پیدایش پلههای شاپیرو در تقاطع جوزیفسون اتمی میشود کشف کنیم»، توضیح میدهد جولیا دل پاسی، پژوهشگر در دانشگاه فلورانس و نویسندهٔ اول این مطالعه. «این گامی حیاتی در درک اینکه رفتار میکروسکوپی کوانتومی چگونه منجر به پدیدههای ماکروسکوپی میشود، محسوب میشود.»
«این گامی بزرگ برای اتمترونیک است»، افزود لوییجی آمیکو، سرپرست گروه نظری که اثر را در دانشگاه کاتانیا و TII پیشبینی کردهاند. «همانند جریانهای الکتریکی در الکترونیک سنتی، مدارهای اتمترونیک اتمهای خنثی را با لیزر هدایت میکنند و کنترل دقیقی برای دستگاههای کوانتومی نوین و کاربردهای شبیهسازی، حسگری و فناوری فراهم میسازند.»
این نتایج نشان میدهند که اتمهای فوقسرد نه تنها بستر ایدهآلی برای بررسی پدیدههای بنیادی کوانتومی هستند، بلکه ابزار قدرتمندی برای تحقیق و بهرهبرداری از دینامیک جمعی سیستمهای کوانتومی در یک محیط بهشدت کنترلشده محسوب میشوند.
جزئیات انتشار
Giulia Del Pace و همکاران، Shapiro steps in strongly-interacting Fermi gases، Science (2025). DOI: 10.1126/science.ads8885. در arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2409.03448
اطلاعات نشریه: Science, arXiv
مفاهیم کلیدی
اتمهای سرد و امواج ماده سیستمهای اتمی
ارائهشده توسط CNR-INO
منبع: Ultracold atoms observed climbing a quantum staircase (2025, 25 دسامبر) دریافتشده 30 ژانویه 2026 از https://phys.org/news/2025-12-ultracold-atoms-climbing-quantum-staircase.html