量子電腦、腦磁圖(MEG)這些技術聽起來高大上,但它們背后都離不開一個叫約瑟夫森結的小零件。這個零件藏在超導體里,能實現(xiàn)超精準測量,還定義了全球電壓標準。可它內部的量子過程太小,直接觀察幾乎做不到。最近德國Kaiserslautern-Landau大學的團隊換了個思路——用超冷原子和激光,把約瑟夫森效應“復刻”出來了。
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約瑟夫森結:簡單結構里的超強量子效應
約瑟夫森結看起來不復雜:兩個超導體中間夾一層比紙還薄的絕緣層。但量子力學在這起了作用——電子能“穿過”絕緣層(量子隧穿),產生穩(wěn)定的電流。
這效應有多重要?
MEG能測大腦磁場,靠的就是約瑟夫森結的超高靈敏度;
全球電壓單位“伏特”,也是用它的特性定義的;
量子電腦里,它是核心邏輯元件之一。
但超導體里的量子變化太細微,想直接看清楚,比大海撈針還難。
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用原子“模擬”,讓量子過程變“可見”
科學家想到了量子模擬——用一個好研究的系統(tǒng),模擬另一個難研究的系統(tǒng)。這次他們不用超導體,改用玻色愛因斯坦凝聚體(BEC):把原子冷卻到接近絕對零度,原子會變成一團“同步運動”的云。
他們把兩團BEC分開,中間用聚焦激光做了個極薄的“光學屏障”,還讓激光周期性移動。這個裝置里:
激光屏障相當于約瑟夫森結的絕緣層;
移動的激光相當于給結加了微波輻射(常規(guī)約瑟夫森結里的驅動)。
結果居然和真實約瑟夫森結一模一樣——原子云里出現(xiàn)了沙弗臺階。
沙弗臺階:量子效應的通用信號
沙弗臺階是約瑟夫森結的標志性特征:電壓會出現(xiàn)一個個“平臺”,每個平臺的電壓只和兩個基本常數(shù)(普朗克常數(shù)、電子電荷)以及驅動頻率有關。全球電壓標準就是靠這個定義的。
這次原子系統(tǒng)里也出現(xiàn)了清晰的沙弗臺階,說明這個效應不是超導體獨有的,是通用量子現(xiàn)象。領導實驗的HerwigOtt說:“我們第一次在原子系統(tǒng)里看到了這個效應,證明它跨系統(tǒng)存在。”
未來:原子電路可能替代電子電路?
團隊下一步想把多個原子結連起來,做原子電路——讓原子代替電子在電路里跑。原子電路的好處是能直接觀察原子運動,適合研究量子相干效應(比如量子疊加、糾纏)。
現(xiàn)在他們還想復制其他電子元件(比如電阻、電容),搞清楚原子版本的微觀原理。
原來量子效應不止藏在固體超導體里,超冷原子云也能“復刻”。這不僅幫我們看清了約瑟夫森結的內部,還打開了原子電路的新方向。你覺得未來原子電路會走進我們的生活嗎?留言聊聊你的想法~
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