Τα υπέρψυχρα άτομα θέτουν τα θεμέλια για το «κβαντικό Βολτ»

Σε μια ανακάλυψη που υπόσχεται να επαναπροσδιορίσει τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τις ηλεκτρικές μετρήσεις, ερευνητές από το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μη Γραμμικής Φασματοσκοπίας (LENS) και το Εθνικό Ινστιτούτο Οπτικής (CNR-INO) στη Φλωρεντία, πέτυχαν κάτι που μέχρι χθες θεωρούνταν αποκλειστικό προνόμιο των υπεραγώγιμων κυκλωμάτων. Για πρώτη φορά στα χρονικά, παρατηρήθηκαν τα λεγόμενα «βήματα Shapiro» σε ένα σύστημα υπέρψυχρων ατόμων, θέτοντας τα θεμέλια για το «κβαντικό Βολτ» της επόμενης γενιάς.

Η έρευνα, η οποία δημοσιεύτηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Science, αποτελεί ένα πρακτικό βήμα προς την εποχή της «Ατομτρονικής» (Atomtronics), μιας νέας τεχνολογίας που φιλοδοξεί να αντικαταστήσει τα ηλεκτρόνια με άτομα για τη δημιουργία κυκλωμάτων αδιανόητης ακρίβειας.

Από τους Υπεραγωγούς στα Υπέρψυχρα Αέρια

Μέχρι σήμερα, το πρότυπο της τάσης (το Βολτ) οριζόταν μέσω του φαινομένου Josephson, το οποίο απαιτεί τη χρήση υπεραγωγών, δηλαδή υλικών που άγουν τον ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση αλλά χρειάζονται ακραία ψύξη. Όταν μια τέτοια επαφή (γνωστή ως επαφή Josephson) εκτίθεται σε ακτινοβολία μικροκυμάτων, η τάση στα άκρα της δεν αυξάνεται ομαλά, αλλά «πηδάει» σε συγκεκριμένα, «κβαντικά σκαλοπάτια». Αυτά είναι τα βήματα Shapiro.

Η ιταλική ομάδα, υπό την καθοδήγηση του Giacomo Roati και με επικεφαλής τη Giulia Del Pace, κατάφερε να αναπαράγει αυτό το φαινόμενο χωρίς υπεραγωγούς. Αντ’ αυτού, χρησιμοποίησαν ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein: ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου που ψύχθηκαν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, μετατρέποντας την ύλη σε μια ενιαία κβαντική οντότητα.

Η «ατομική» επαφή Josephson

Το πείραμα ήταν ένας άθλος μηχανικής ακρίβειας. Οι ερευνητές χώρισαν το νέφος των ατόμων στα δύο, χρησιμοποιώντας μια δέσμη laser ως φράγμα. Αυτό το φράγμα λειτούργησε ως η «επαφή», επιτρέποντας στα άτομα να περνούν από τη μια πλευρά στην άλλη μέσω του κβαντικού φαινομένου της σήραγγας.

Όταν οι επιστήμονες εφάρμοσαν μια περιοδική διαταραχή στο φράγμα – μιμούμενοι το εναλλασσόμενο ρεύμα – παρατήρησαν ότι η ροή των ατόμων συγχρονίστηκε απόλυτα με τη συχνότητα της διαταραχής. Το αποτέλεσμα; Η διαφορά χημικού δυναμικού (το ατομικό ισοδύναμο της ηλεκτρικής τάσης) άρχισε να ανεβαίνει σε σταθερά, κβαντικά βήματα. Είχαν μόλις δημιουργήσει τα βήματα Shapiro με ουδέτερα άτομα.

Γιατί αυτό αλλάζει τα δεδομένα;

Η σημασία της ανακάλυψης εκτείνεται πέρα από τα εργαστήρια φυσικής. Η δυνατότητα δημιουργίας προτύπων τάσης με ουδέτερα άτομα προσφέρει πλεονεκτήματα που οι υπεραγωγοί δυσκολεύονται να ανταγωνιστούν:

• Κβαντική Προσομοίωση: Όπως δήλωσε η Giulia Del Pace, η χρήση υπέρψυχρων ατόμων είναι «σαν να παρακολουθείς την κβαντομηχανική σε αργή κίνηση». Τα φαινόμενα που στους υπεραγωγούς συμβαίνουν αστραπιαία, εδώ μπορούν να μελετηθούν με λεπτομέρεια.
• Νέοι Αισθητήρες: Η τεχνολογία αυτή ανοίγει τον δρόμο για αισθητήρες βαρύτητας και επιτάχυνσης εξαιρετικής ευαισθησίας, χρήσιμους από τη γεωλογική έρευνα μέχρι την πλοήγηση χωρίς GPS.
• Ατομτρονική: Πλησιάζουμε πιο κοντά στην ανάπτυξη συσκευών που χρησιμοποιούν ροές ατόμων αντί για ηλεκτρόνια, προσφέροντας λύσεις εκεί που τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά κυκλώματα φτάνουν στα όριά τους.

Καθώς η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα αναζητά τρόπους να αξιοποιήσει την «δεύτερη κβαντική επανάσταση», η απόδειξη ότι μπορούμε να έχουμε κβαντισμένη τάση χωρίς υπεραγωγούς αποτελεί ένα κρίσιμο κομμάτι στο παζλ του μέλλοντος. Δεν μιλάμε πλέον για θεωρητικές προβλέψεις, αλλά για μια απτή πραγματικότητα που φέρνει το «κβαντικό Βολτ» πιο κοντά από ποτέ.