《科學》重磅：夏皮羅臺階首次現身超冷原子結

夏皮羅臺階（Shapiro steps）是約瑟夫森效應的一個標志性特征，最初在受微波驅動的超導約瑟夫森結中被發現。這一現象具有深刻的量子力學起源，并構成了現代電壓標準的基礎。發表在《科學》的論文《Observation of Shapiro steps in an ultracold atomic Josephson junction》（在超冷原子約瑟夫森結中夏皮羅臺階的觀測）標志著一個重大的里程碑：首次在超冷原子氣體制成的約瑟夫森結中，成功觀測到了這一量化現象。這項工作不僅證明了約瑟夫森效應在原子系統中的普適性，更重要的是，它提供了一個前所未有的、可直接觀測的平臺，以研究傳統超導系統中難以觸及的微觀耗散動力學，特別是聲子和孤子的成核與傳播。

一、 約瑟夫森效應與夏皮羅臺階：概念重塑

1.1 約瑟夫森效應的核心

約瑟夫森效應描述的是兩個量子流體（如超導體中的電子對或超流體中的中性原子）通過一個薄弱的連接（即“結”）時，能夠發生無阻礙的量子隧穿。

• 超導結：超電流（電子對流）的大小取決于兩側量子波函數的相位差。此外，電壓會使兩側的相位差隨時間周期性變化。
• 原子結：在超冷原子氣體中，原子流（粒子流）取決于兩側超流體的相位差。這里的化學勢差（可以理解為原子版的“電壓”）則控制著相位差隨時間的變化率。

1.2 夏皮羅臺階的本質

當一個約瑟夫森結除了有穩定的直流驅動外，還受到一個外部高頻交流信號（例如微波或周期性勢壘調制）的影響時，會發生奇特的量子鎖定現象。

• 當內在的約瑟夫森振蕩頻率（由直流電壓或化學勢差決定）與外部交流驅動頻率成整數倍關系時，宏觀的電流或粒子流就會被“鎖定”，不再隨驅動的微小變化而改變。
• 在超導結的電流-電壓曲線上，這表現為電流在特定的量化電壓值上出現平坦的平臺，這些平臺就是夏皮羅臺階。在原子結中，這表現為粒子流在特定的量化化學勢差上出現平臺。

二、 原子實驗的設計與實施

2.1 建造原子約瑟夫森結

實驗中，研究人員使用玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC）作為超流體。他們用一束高度聚焦的排斥性激光束在BEC的中心制造了一個狹窄的勢壘，這就是原子約瑟夫森結。

2.2 模擬驅動條件

為了模擬產生夏皮羅臺階所需的雙重驅動，實驗采用了巧妙的機械調制方式：

1. 直流驅動（模擬化學勢差）：通過以恒定速度線性移動中心勢壘，使結兩側的原子云產生一個相對運動，從而持續引入一個穩定的化學勢差，驅動一個直流原子流。
2. 交流驅動（模擬微波輻射）：在勢壘的線性運動軌跡上，再疊加一個周期性的微小振蕩，這相當于給原子系統施加了一個高頻的交流調制。

通過測量原子流（或兩側原子數的差異）隨勢壘運動速度（即化學勢差）的變化，來尋找夏皮羅臺階。

三、 關鍵發現：量化與耗散的直接觀察

3.1 量化關系的證明

實驗結果清晰地顯示，隨著勢壘速度的增加，原子流確實出現了離散的、平坦的平臺。這些平臺的高度（即化學勢差）嚴格遵循一個量化關系：化學勢差等于整數倍的普朗克常數乘以驅動頻率。

這個結果直接證明了夏皮羅臺階現象的普遍性，即它不僅適用于帶電的電子超導體，也適用于中性的原子超流體。

3.2 揭示耗散的微觀機制

這項研究最大的價值在于，超冷原子系統具有極高的時空分辨率，使得研究人員能夠直接對過程進行成像，從而揭示臺階現象背后的能量耗散機制。

1. 問題所在：當電流或原子流從一個夏皮羅臺階躍遷到下一個臺階時，系統需要耗散能量。在超導結中，這種耗散是間接推斷的。
2. 原子系統的優勢：研究人員可以直接觀察到在臺階的邊緣，原子流是如何通過激發來耗散能量的：

• 聲子發射：在較低的流速下，系統主要通過產生聲波（聲子）來釋放能量。
• 孤子成核：在更高的驅動下，系統會形成更復雜的、類似于孤立波的結構（孤子）。

通過對原子密度分布進行空間和時間上的追蹤，研究人員實時地看到了這些激發在勢壘附近產生、傳播和離開的全過程 。這為我們理解宏觀量子流體中臨界流和耗散的起源提供了無可替代的直接證據。

四、 總結與意義

這篇論文的貢獻是多方面的：

1. 普適性驗證：它成功地在原子系統中復刻了電子系統中的核心量子現象，證明了約瑟夫森效應和夏皮羅臺階超越了特定的物質形式。
2. 深入理解耗散：它打開了一扇窗戶，讓我們能夠以微觀的視角，前所未有地觀察到量子流體中的能量耗散過程。
3. 推動量子計量學：這項工作為未來在超冷原子領域開發基于頻率量化的、高度精確的新型原子計量標準奠定了基礎。

簡而言之，這是一次將經典超導物理中的基本概念，移植到可控的量子模擬平臺上的杰出嘗試，極大地深化了我們對宏觀量子相干現象的理解。