As junções Josephson desempenham um papel central na física e na tecnologia modernas. Eles permitem medições altamente precisas, definem padrões internacionais para tensão elétrica e servem como componentes essenciais dentro de muitos computadores quânticos. Apesar da sua importância, os processos em escala quântica que ocorrem dentro dos supercondutores são notoriamente difíceis de observar diretamente.
Para superar esse desafio, pesquisadores da Universidade RPTU de Kaiserslautern-Landau recorreram à simulação quântica. Em vez de estudar os elétrons dentro de um sólido, eles recriaram o efeito Josephson usando átomos ultrafrios. Sua abordagem envolveu a separação de dois condensados de Bose-Einstein (BECs) com uma barreira óptica excepcionalmente fina criada por um feixe de laser focado movido de maneira controlada e periódica. Mesmo neste sistema atômico, surgiram assinaturas definidoras de junções Josephson. O experimento revelou etapas de Shapiro, que são platôs de tensão distintos que aparecem em função de uma frequência de acionamento, assim como acontece em dispositivos supercondutores. Publicado em Diário ciênciaO trabalho é um exemplo claro de como as simulações quânticas podem revelar a física oculta.
Por que Josephson Junction é importante
À primeira vista, a junção Josephson tem uma estrutura simples. Consiste em dois supercondutores separados por uma camada isolante extremamente fina. No entanto, esta configuração básica cria um poderoso efeito mecânico quântico que sustenta algumas das tecnologias mais avançadas da atualidade. Os contatos Josephson formam o núcleo de muitos computadores quânticos e tornam possível medir campos magnéticos extremamente fracos.
Essas medições são cruciais em aplicações como a magnetoencefalografia (MEG), uma técnica de imagem médica usada para detectar sinais magnéticos gerados pela atividade cerebral humana. A precisão da junção Josephson torna possível esse tipo de diagnóstico sensível.
Tornando observáveis efeitos quânticos invisíveis
O desafio das junções Josephson é que seu comportamento se manifesta em níveis quânticos individuais. Dentro de um supercondutor, esses processos microscópicos não podem ser facilmente rastreados ou visualizados. Para estudá-los em detalhes, os físicos contam com a simulação quântica, uma técnica que mapeia um sistema quântico complexo em outro diferente, mais fácil de controlar e observar.
Ao recriar a física necessária num novo ambiente, os investigadores podem explorar efeitos que de outra forma permaneceriam ocultos. Com esta abordagem, os cientistas podem testar conceitos básicos e confirmar se certos comportamentos são verdadeiramente universais em diferentes sistemas físicos.
Recriando o efeito Josephson com átomos ultrafrios
Na RPTU, uma equipe experimental liderada por Herwig Ott aplicou simulações quânticas diretas ao efeito Josephson. Em vez de usar supercondutores, eles trabalharam com um gás ultrafrio de átomos conhecido como condensado de Bose-Einstein. Dois desses condensados foram separados por uma estreita barreira óptica formada por um feixe de laser focalizado. Ao remover gradualmente esta barreira, os investigadores recriaram um estado supercondutor semelhante à junção Josephson exposto à radiação de microondas.
Em dispositivos convencionais, a radiação de micro-ondas induz uma corrente alternada adicional através de um contato Josephson. Na versão atômica do experimento, a barreira móvel do laser desempenhou um papel semelhante, permitindo à equipe imitar de perto o comportamento das junções eletrônicas usando átomos.
Os passos de Shapiro são um fenômeno universal
Os resultados do teste foram interessantes. O sistema nuclear exibe passos de Shapiro claros, que são quantidades de platô de tensão usadas em todo o mundo para calibrar tensões elétricas. Estas etapas dependem apenas da constante fundamental e da frequência de modulação aplicada, tornando-as a base do padrão global de tensão para “volts”.
“Nas nossas experiências, conseguimos visualizar pela primeira vez as excitações resultantes. Este efeito aparece agora num sistema físico completamente diferente – uma coleção de átomos ultrafrios – confirmando que os passos de Shapiro são um fenómeno universal,” disse Herwig Ott.
Unindo o mundo quântico de átomos e elétrons
A pesquisa foi realizada em colaboração com Ludwig Matthe, físico teórico da Universidade de Hamburgo, e Luigi Amico, do Instituto de Inovação Tecnológica de Abu Dhabi. Juntas, as equipes demonstraram como um efeito bem conhecido da física do estado sólido poderia ser reproduzido fielmente em um ambiente completamente diferente.
O trabalho serve como um exemplo clássico de simulação quântica. Como explica Herwig Ott: “Um efeito da mecânica quântica da física do estado sólido é transferido para um sistema completamente diferente – e ainda assim a sua essência permanece a mesma. Ele preenche a lacuna entre o mundo quântico dos elétrons e dos átomos.”
Usa 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. Nestes sistemas, átomos em vez de elétrons se moverão através do circuito, um campo emergente de pesquisa conhecido como “atomtrônica”.
“Tais circuitos são particularmente adequados para observar efeitos coerentes, ou seja, efeitos semelhantes a ondas”, disse Eric Barnhart, que realizou os experimentos como parte de sua pesquisa de doutorado. Ao contrário dos electrões nos sólidos, os átomos neste circuito podem ser observados directamente à medida que se movem, fornecendo uma imagem clara do comportamento quântico. “Queremos replicar outros elementos fundamentais conhecidos da eletrônica para nossos átomos e compreendê-los precisamente no nível microscópico”.
