Las uniones de Josephson desempeñan un papel central en la física y la tecnología modernas. Permiten mediciones de alta precisión, definen estándares internacionales para voltaje eléctrico y sirven como componentes esenciales dentro de muchas computadoras cuánticas. A pesar de su importancia, los procesos a escala cuántica que ocurren dentro de los superconductores son muy difíciles de observar directamente.
Para superar este desafío, investigadores de la Universidad RPTU de Kaiserslautern-Landau recurrieron a la simulación cuántica. En lugar de estudiar los electrones dentro de un sólido, recrearon el efecto Josephson utilizando átomos ultrafríos. Su enfoque implicó separar dos condensados de Bose-Einstein (BEC) con una barrera óptica excepcionalmente delgada creada por un rayo láser enfocado que se movía de manera controlada y periódica. Incluso en este sistema atómico, surgieron firmas definitorias de las uniones de Josephson. El experimento reveló pasos de Shapiro, que son distintas mesetas de voltaje que aparecen en función de una frecuencia de conducción, tal como sucede en los dispositivos superconductores. Publicado en Revista cienciaEl trabajo es un claro ejemplo de cómo las simulaciones cuánticas pueden descubrir física oculta.
Por qué es importante Josephson Junction
A primera vista, el cruce de Josephson tiene una estructura sencilla. Está formado por dos superconductores separados por una capa aislante extremadamente fina. Sin embargo, esta configuración básica crea un poderoso efecto mecánico cuántico que sustenta algunas de las tecnologías más avanzadas de la actualidad. Los contactos de Josephson forman el núcleo de muchos ordenadores cuánticos y permiten medir campos magnéticos extremadamente débiles.
Estas mediciones son cruciales en aplicaciones como la magnetoencefalografía (MEG), una técnica de imágenes médicas utilizada para detectar señales magnéticas generadas por la actividad del cerebro humano. La precisión de la unión Josephson hace posible un diagnóstico tan sensible.
Hacer observables los efectos cuánticos invisibles
El desafío con las uniones de Josephson es que su comportamiento se manifiesta en niveles de cuantos individuales. Dentro de un superconductor, estos procesos microscópicos no se pueden rastrear ni visualizar fácilmente. Para estudiarlos en detalle, los físicos se basan en la simulación cuántica, una técnica que mapea un sistema cuántico complejo en otro diferente que sea más fácil de controlar y observar.
Al recrear la física necesaria en un entorno nuevo, los investigadores pueden explorar efectos que de otro modo permanecerían ocultos. Con este enfoque, los científicos pueden probar conceptos básicos y confirmar si ciertos comportamientos son verdaderamente universales en diferentes sistemas físicos.
Recreando el efecto Josephson con átomos ultrafríos
En la RPTU, un equipo experimental dirigido por Herwig Ott aplicó simulaciones cuánticas directas al efecto Josephson. En lugar de utilizar superconductores, trabajaron con un gas de átomos ultrafrío conocido como condensado de Bose-Einstein. Dos de estos condensados estaban separados por una estrecha barrera óptica formada por un rayo láser enfocado. Al eliminar gradualmente esta barrera, los investigadores recrearon un estado superconductor similar a una unión de Josephson expuesto a la radiación de microondas.
En los dispositivos convencionales, la radiación de microondas induce una corriente alterna adicional a través de un contacto Josephson. En la versión atómica del experimento, la barrera láser móvil desempeñó un papel similar, permitiendo al equipo imitar fielmente el comportamiento de las uniones electrónicas utilizando átomos.
Los pasos de Shapiro son un fenómeno universal
Los resultados de las pruebas fueron interesantes. El sistema nuclear exhibe claros pasos de Shapiro, que son cantidades de meseta de voltaje utilizadas en todo el mundo para calibrar voltajes eléctricos. Estos pasos dependen únicamente de la constante fundamental y de la frecuencia de modulación aplicada, lo que los convierte en la base del estándar de voltaje global para “voltios”.
“En nuestros experimentos, pudimos visualizar las excitaciones resultantes por primera vez. Este efecto aparece ahora en un sistema físico completamente diferente, una colección de átomos ultrafríos, lo que confirma que los pasos de Shapiro son un fenómeno universal”, dijo Herwig Ott.
Uniendo el mundo cuántico de los átomos y los electrones
La investigación se llevó a cabo en colaboración con Ludwig Matthe, físico teórico de la Universidad de Hamburgo, y Luigi Amico del Instituto de Innovación Tecnológica de Abu Dhabi. Juntos, los equipos demostraron cómo un efecto bien conocido de la física del estado sólido podría reproducirse fielmente en un entorno completamente diferente.
El trabajo sirve como ejemplo de libro de texto de simulación cuántica. Como explica Herwig Ott: “Un efecto mecánico cuántico de la física del estado sólido se transfiere a un sistema completamente diferente y, sin embargo, su esencia sigue siendo la misma. Sirve de puente entre el mundo cuántico de los electrones y los átomos”.
Utiliza circuitos atómicos para explorar la física cuántica
De cara al futuro, Ott y sus colegas planean conectar múltiples uniones atómicas para formar circuitos completos hechos de átomos. En estos sistemas, los átomos en lugar de los electrones se moverán a través del circuito, un campo de investigación emergente conocido como “atomtrónica”.
“Estos circuitos son especialmente adecuados para observar efectos coherentes, es decir, efectos ondulatorios”, afirmó Eric Barnhart, que llevó a cabo los experimentos en el marco de su investigación doctoral. A diferencia de los electrones en los sólidos, los átomos en este circuito se pueden observar directamente mientras se mueven, proporcionando una imagen clara del comportamiento cuántico. “Queremos replicar otros elementos fundamentales conocidos en la electrónica para nuestros átomos y entenderlos exactamente a nivel microscópico”.
