RPTU – Atomare Josephson-Kontakte: Wie Bose-Einstein-Kondensate Shapiro-Stufen nachbilden

Atomare Josephson-Kontakte: Wie Bose-Einstein-Kondensate Shapiro-Stufen nachbilden

Sie ermöglichen hochpräzise Messungen, definieren die Einheit Volt und bilden das Herzstück vieler Quantencomputer – die sogenannten Josephson-Kontakte. Die dabei in den Supraleitern ablaufenden mikroskopischen Prozesse sind jedoch schwer direkt zu beobachten. Forschende der RPTU Kaiserslautern-Landau haben daher eine Quantensimulation des Josephson-Effekts umgesetzt: Sie trennten zwei Bose-Einstein-Kondensate (BECs) durch eine extrem dünne optische Barriere, die mit einem fokussierten Laserstrahl erzeugt und periodisch bewegt wird. Das Ergebnis ist eindrucksvoll: Auch in diesem atomaren System zeigten sich die charakteristischen Shapiro-Stufen – Spannungsplateaus bei Vielfachen der Antriebsfrequenz – wie sie in supraleitenden Josephson-Kontakten auftreten. Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Forschungsarbeit liefert somit ein Lehrbeispiel für Quantensimulation.

Zwei Supraleiter, getrennt durch eine hauchdünne Isolationsschicht – so schlicht sieht ein Josephson-Kontakt aus. Doch trotz der simplen Struktur birgt er einen quantenmechanischen Effekt, der heute zu den wichtigsten Werkzeugen moderner Technologie zählt: Josephson-Kontakte bilden unter anderem das Herzstück vieler Quantencomputer oder ermöglichen hochpräzise Messungen – wie etwa die Messung sehr schwacher Magnetfelder. Dies wird unter anderem bei der Magnetenzephalographie (MEG) genutzt, also in der medizinischen Diagnostik bei der Untersuchung von Magnetfeldern im Gehirn.

Grundsätzlich sollte man wissen: Prozesse, die in einem Josephson-Kontakt ablaufen, spielen sich auf der Ebene einzelner Quanten ab und sind im Supraleiter nur schwer direkt zu beobachten. Um die mikroskopischen Vorgänge dennoch experimentell zugänglich zu machen, greifen Forschende zu einem Trick – der sogenannten Quantensimulation. Verallgemeinernd gesagt, wird dabei ein komplexes Quantensystem auf ein anderes, besser beobachtbares System übertragen. So lassen sich Effekte untersuchen, die in ihrem herkömmlichen Umfeld kaum zugänglich sind.

An der RPTU Kaiserslautern-Landau hat ein experimentelles Forschungsteam um Herwig Ott dieses Prinzip nun auf den Josephson-Effekt angewendet. Statt Supraleiter nutzten sie ein ultrakaltes Gas aus Atomen, ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat. Zwei solcher Kondensate haben die Forschenden durch eine sehr dünne optische Barriere getrennt, die mit einem fokussierten Laserstrahl erzeugt und periodisch bewegt wurde. Auf diese Weise simulierten die Forschenden, was in einem supraleitenden Josephson-Kontakt unter Mikrowellenbestrahlung geschieht. Die Mikrowellenstrahlung dient dazu, zusätzlich einen Wechselstrom durch den Josephson-Kontakt zu erzeugen.

Shapiro-Stufen sind ein universelles Phänomen

Das Resultat der Quantensimulation war eindrucksvoll: In dem atomaren System traten die charakteristischen Shapiro-Stufen auf – quantisierte Spannungsplateaus, die zur Eichung der elektrischen Spannung dienen. Sie hängen nur von Naturkonstanten und der Frequenz der Modulation ab und bilden die Grundlage, mit der weltweit das Spannungsnormal für das „Volt“ realisiert wird. „In unserem Experiment konnten wir erstmals die dabei entstehenden Anregungen sichtbar machen. Dass sich dieser Effekt nun in einem völlig anderen physikalischen System – einem Ensemble ultrakalter Atome – zeigt, bestätigt, dass Shapiro-Stufen ein universelles Phänomen sind“, konstatiert Herwig Ott.

Die Untersuchung wurde gemeinsam mit den Theoriegruppen von Ludwig Mathey von der Universität Hamburg und Luigi Amico vom Technology Innovation Institute in Abu Dhabi durchgeführt. Die Arbeit liefere ein Lehrbeispiel für Quantensimulation, fasst Herwig Ott die Ergebnisse weiter zusammen: „Ein quantenmechanischer Effekt aus der Festkörperphysik wird in ein völlig anderes System übertragen – und doch bleibt seine Essenz dieselbe. So werden Brücken gebaut zwischen den Quantenwelten der Elektronen und Atome.“

Mithilfe von Atomen die Welt der Elektronen verstehen

In Zukunft wollen Ott und sein Team mehrere solcher „Bauelemente“ miteinander verbinden, „um richtige Schaltkreise für Atome zu bauen“. Anstelle von Elektronen würden dann Atome durch den Schaltkreis fließen – ein Arbeitsgebiet, das sich „Atomtronics“ nennt. „Solche Schaltkreise sind besonders gut geeignet, um kohärente Effekte, also wellenartige Effekte, zu beobachten“, sagt Erik Bernhart, der als Doktorand die Experimente durchgeführt hat. Außerdem könne man in atomaren Schaltkreisen die Bewegung der Atome direkt „sehen“, was bei Elektronen im Festkörper sehr viel schwieriger ist. „Daneben wollen wir weitere fundamentale Bauelemente, die aus der Elektronik bekannt sind, für unsere Atome nachbauen und auf mikroskopischer Ebene genau verstehen.“

Die Studie:

Erik Bernhart, Marvin Röhrle, Vijay Pal Singh, Ludwig Mathey, Luigi Amico, and Herwig Ott

“Observation of Shapiro steps in an ultracold atomic Josephson junction”

www.science.org/doi/10.1126/science.ads9061

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