Wie Bose-Einstein-Kondensate Shapiro-Stufen nachbilden

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.

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 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 Bose-Einstein-Konden­sat. Zwei solcher BECs 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.

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Mit Supraleitung und Spin

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 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 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.“

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.“ [RPTU / dre]