Para superar esse desafio, pesquisadores da Universidade RPTU de Kaiserslautern-Landau recorreram à simulação quântica. Em vez de estudar elétrons dentro de um material sólido, eles recriaram o efeito Josephson usando átomos ultracongelados. Sua abordagem envolveu a separação de dois condensados de Bose-Einstein (BECs) com uma barreira óptica excepcionalmente fina criada por um feixe laser focado que era movido de maneira controlada e periódica. Mesmo nesse sistema atômico, os sinais definidores das junções de Josephson emergiram. O experimento revelou etapas de Shapiro, que são platôs de tensão distintos que aparecem em múltiplos de uma frequência de acionamento, assim como ocorre em dispositivos supercondutores. Publicado na revista Science, o trabalho é um exemplo claro de como a simulação quântica pode revelar física oculta.

Por que as Junções de Josephson São Importantes

À primeira vista, uma junção de Josephson tem uma estrutura simples. Ela consiste em dois supercondutores separados por uma camada isolante extremamente fina. No entanto, essa configuração básica produz um efeito mecânico quântico poderoso que fundamenta algumas das tecnologias mais avançadas de hoje. Os contatos de Josephson formam o núcleo de muitos computadores quânticos e possibilitam 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 de Josephson é o que torna possíveis diagnósticos tão sensíveis.

Tornando os Efeitos Quânticos Invisíveis Observáveis

O desafio com as junções de Josephson é que seu comportamento se desenrola no nível de quanta individuais. Dentro de um supercondutor, esses processos microscópicos não podem ser facilmente rastreados ou visualizados. Para estudá-los em detalhes, os físicos dependem da simulação quântica, uma estratégia que mapeia um sistema quântico complexo em outro que é mais fácil de controlar e observar.

Ao recriar a física essencial em um novo ambiente, os pesquisadores podem explorar efeitos que de outra forma permaneceriam ocultos. Essa abordagem permite que os cientistas testem ideias fundamentais e confirmem se certos comportamentos são realmente universais em diferentes sistemas físicos.

Recriando o Efeito Josephson com Átomos Ultracongelados

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 ultracongelado de átomos conhecido como condensado de Bose-Einstein. Dois desses condensados foram separados por uma barreira óptica estreita formada por um feixe laser focado. Ao mover essa barreira periodicamente, os pesquisadores recriaram condições semelhantes às de uma junção Josephson supercondutora exposta à radiação micro-ondas.

Em dispositivos convencionais, a radiação micro-ondas induz uma corrente alternada adicional através do contato de Josephson. Na versão atômica do experimento, a barreira laser móvel desempenhou o mesmo papel, permitindo que a equipe imitasse de perto o comportamento de junções eletrônicas usando átomos.

As Etapas de Shapiro São um Fenômeno Universal

Os resultados do experimento foram impressionantes. O sistema atômico apresentou etapas de Shapiro claras, que são platôs de tensão quantizados usados em todo o mundo para calibrar a tensão elétrica. Esses passos dependem apenas de constantes fundamentais e da frequência da modulação aplicada, constituindo a base do padrão global de tensão para o “volt”.

“Em nosso experimento, conseguimos visualizar as excitações resultantes pela primeira vez. O fato de esse efeito agora aparecer em um sistema físico completamente diferente — um conjunto de átomos ultracongelados — confirma que as etapas de Shapiro são um fenômeno 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 em Abu Dhabi. Juntas, as equipes demonstraram como um efeito bem conhecido da física do estado sólido pode ser fielmente reproduzido em um ambiente totalmente diferente.

O trabalho serve como um exemplo clássico de simulação quântica. Como explica Herwig Ott, “Um efeito mecânico quântico da física do estado sólido é transferido para um sistema completamente diferente — e ainda assim sua essência permanece a mesma. Isso constrói pontes entre os mundos quânticos de elétrons e átomos.”

Usando Circuitos Atômicos para Explorar a Física Quântica

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

“Esses circuitos são particularmente adequados para observar efeitos coerentes, ou seja, efeitos de onda”, diz Erik Bernhart, que realizou os experimentos como parte de sua pesquisa de doutorado. Ao contrário dos elétrons em materiais sólidos, os átomos nesses circuitos podem ser observados diretamente enquanto 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 em nível microscópico.”