Átomos ultrafrios recriam degraus de Shapiro numa junção Josephson

Numa câmara de vácuo mais fria do que o espaço profundo, investigadores alemães levaram átomos ultrafrios a reproduzir um componente essencial da tecnologia quântica.

Em vez de fios e supercondutores, o seu circuito recorreu à luz e a ondas de matéria, aproximando a engenharia quântica de uma forma invulgar de «eletrónica».

Quando surge um circuito quântico sem fios

Na maioria dos laboratórios, uma junção Josephson tem um aspeto quase banal: dois pequenos elementos supercondutores, divididos por uma camada isolante extremamente fina. Não possui peças móveis nem produz faíscas. Ainda assim, esta estrutura microscópica é fundamental para muitos computadores quânticos, scanners médicos altamente sensíveis e padrões de tensão.

No seu interior, os eletrões formam pares e atravessam por efeito de túnel o isolante sem resistência elétrica. Sob radiação de micro-ondas, a tensão na junção fixa-se em patamares rigorosos, designados degraus de Shapiro. Esses degraus dependem apenas de constantes universais: a carga do eletrão e a constante de Planck. Os laboratórios de metrologia exploram este efeito para definir o volt com uma precisão notável.

Habitualmente, este fenómeno ocorre em blocos de metal arrefecidos até perto do zero absoluto. A dinâmica desenrola-se ao longo de apenas alguns nanómetros, escondida sob várias camadas produzidas durante o fabrico. Os eletrões não são observados diretamente; o seu comportamento é deduzido a partir de sinais elétricos.

Em Kaiserslautern, uma equipa substituiu os eletrões e o metal por átomos ultrafrios e uma barreira laser, observando uma junção Josephson a evoluir em tempo real.

O resultado, publicado na Science com o título «Observação de degraus de Shapiro numa junção Josephson atómica ultrafria», assinala a primeira realização e visualização direta deste efeito emblemático num gás de átomos.

Porque as junções Josephson são importantes muito além desta experiência

As junções Josephson estão no centro de várias tecnologias:

• Os qubits supercondutores de muitos dos principais computadores quânticos dependem delas para definir níveis de energia.
• Os magnetómetros denominados SQUID utilizam-nas para detetar campos magnéticos extremamente reduzidos, algo útil na imagiologia cerebral.
• Institutos nacionais de padrões ligam milhares destas junções para produzir referências de tensão ultrastáveis.

Em todos estes casos, a junção funciona como uma válvula quântica para um superfluido de carga. Os pares de Cooper, isto é, os pares de eletrões ligados num supercondutor, atravessam coerentemente a barreira por efeito de túnel. As diferenças de fase entre ambos os lados originam uma corrente sem resistência.

Os degraus de Shapiro mostram de que modo a junção se sincroniza com um ritmo externo. Quando as micro-ondas incidem sobre a junção, o túnel entra em sincronização com a radiação. A curva corrente-tensão passa a apresentar degraus regulares, cujo espaçamento contém a frequência das micro-ondas. Este comportamento demonstra que o dispositivo segue efetivamente regras quânticas, e não apenas uma dinâmica clássica desordenada.

Porque a observação direta em sólidos é quase impossível

Investigar estes efeitos no interior de metais traz uma dificuldade prática considerável. Tudo acontece à escala dos nanómetros. Os eletrões deslocam-se numa rede cristalina, protegidos por camadas de material. Sondá-los diretamente sem os perturbar é quase impossível.

Para responder a muitas questões, os físicos da matéria condensada recorrem a outra estratégia: a simulação quântica. Em vez de abrirem o dispositivo para observar os seus eletrões, criam um sistema diferente cujas regras quânticas correspondem às do original, mas cujos constituintes são mais simples de controlar e visualizar.

Os simuladores quânticos substituem portadores microscópicos de carga por átomos maiores e mais lentos que continuam a obedecer à mecânica quântica, mas deslocam-se em escalas de comprimento visíveis ao microscópio.

É neste ponto que os gases atómicos ultrafrios se destacam. A temperaturas muito próximas do zero absoluto, nuvens diluídas de átomos transformam-se em condensados de Bose-Einstein. Nessa fase, os átomos comportam-se como uma única onda de matéria coerente. Os investigadores podem aprisioná-los com lasers, moldar barreiras através da luz e acompanhar a sua distribuição com câmaras de alta resolução.

Como a equipa alemã criou uma junção Josephson com átomos

A câmara de vácuo e o aparecimento de dois condensados

Na experiência em Kaiserslautern, o grupo liderado por Herwig Ott começou por utilizar uma câmara de vácuo selada. Arrefeceu um gás de átomos até cerca de −273,12 °C, apenas uma fração de grau acima do zero absoluto. A esta temperatura, o movimento térmico praticamente desaparece e o gás forma um condensado de Bose-Einstein, um superfluido de ondas de matéria.

O ponto crucial é que não se limitaram a criar um condensado. Produziram duas nuvens atómicas vizinhas, cada uma delas comportando-se como um fluido quântico distinto. Na terminologia da supercondutividade, estes dois condensados desempenham o papel dos dois elétrodos supercondutores de uma junção Josephson.

Lasers em vez de isolantes e micro-ondas

Para reproduzir o isolante fino que separa dois supercondutores, a equipa usou uma lâmina de luz. Um feixe laser fortemente focado criou uma barreira estreita e ajustável entre os dois condensados. Os átomos conseguiam atravessar por efeito de túnel esta parede de luz, tal como os pares de Cooper atravessam a camada isolante de uma junção de estado sólido.

Seguiu-se o equivalente às micro-ondas. Ao modular periodicamente a altura ou a posição da barreira laser, os investigadores «agitaram» efetivamente a junção. Esta excitação periódica corresponde à radiação de micro-ondas aplicada a uma junção Josephson convencional.

À medida que a barreira oscilava, os átomos passavam de um condensado para o outro em ambos os sentidos. A diferença de número de átomos e a relação de fase evoluíam ao longo do tempo, proporcionando uma observação direta da corrente atómica.

Quando a barreira laser vibrava às frequências adequadas, a junção atómica fixava-se em patamares de transporte distintos - a versão em ondas de matéria dos degraus de Shapiro.

Este comportamento não é apenas visualmente marcante. Segue com elevada precisão as previsões teóricas para os degraus de Shapiro, incluindo as posições dos degraus e a respetiva dependência da intensidade da excitação.

O que torna este resultado uma estreia mundial

Este trabalho constitui a primeira observação inequívoca de degraus de Shapiro numa junção Josephson atómica ultrafria. Experiências anteriores com átomos frios tinham demonstrado oscilações Josephson e fenómenos relacionados, mas a resposta quantizada a uma excitação periódica continuava difícil de alcançar.

A equipa de Kaiserslautern resolveu essa lacuna. O seu sistema atómico reproduziu tanto a estrutura como os detalhes quantitativos dos degraus de Shapiro conhecidos nos dispositivos de estado sólido. Esta concordância sustenta a ideia de que a física Josephson não depende da natureza microscópica das partículas, desde que um fluido quântico coerente atravesse uma barreira por efeito de túnel.

O sistema oferece também algo que os sistemas de estado sólido normalmente não conseguem proporcionar: acesso direto e espacialmente resolvido à «corrente». As câmaras registam as nuvens de átomos in situ. Os investigadores conseguem observar, imagem a imagem, como a distribuição de densidade se altera à medida que os átomos fazem túnel.

Um passo rumo à «atomtrónica» - circuitos construídos com ondas de matéria

O estudo integra-se num campo em crescimento, por vezes chamado atomtrónica. A ideia central consiste em criar redes semelhantes a circuitos, não com metais e semicondutores, mas com fluxos guiados de átomos ultrafrios. Nestes circuitos, as ondas de matéria coerentes assumem o papel da corrente elétrica.

Os componentes atomtrónicos poderão incluir:

• Junções Josephson atómicas que funcionem como interruptores quânticos ou elementos de interferómetros.
• Armadilhas em forma de anel que desempenhem uma função semelhante às espiras supercondutoras dos SQUID.
• Redes de condensados que formem redes artificiais de geometria ajustável.

Ao encadear várias junções atómicas, o grupo de Kaiserslautern pretende montar circuitos completos que imitem dispositivos supercondutores complexos. Em vez de dependerem de modelos abstratos, os físicos disporiam de uma plataforma de laboratório onde poderiam «reproduzir» eletrónica quântica em câmara lenta e com detalhe ao nível de um único píxel.

Estes circuitos também poderiam funcionar como sensores extremamente sensíveis. Como os condensados reagem intensamente a pequenas variações de campos magnéticos, gravidade ou rotação, espiras atomtrónicas cuidadosamente concebidas poderão rivalizar com, ou complementar, os atuais sensores quânticos usados em geofísica ou navegação.

Implicações para a computação quântica e a física fundamental

Os processadores quânticos supercondutores, desde os desenvolvidos por gigantes tecnológicos aos criados por empresas emergentes, usam junções Josephson como elementos não lineares centrais. Compreender de que forma a coerência se degrada e como o ruído se infiltra nestes circuitos continua a ser um desafio importante. Muitos efeitos ficam ocultos por imperfeições de fabrico ou defeitos dos materiais que são difíceis de isolar.

As junções atómicas contornam esses problemas. Os átomos flutuam num vácuo quase perfeito. As suas interações e o respetivo ambiente podem ser controlados com grande rigor. Ao recriar a dinâmica Josephson com átomos, os investigadores obtêm um sistema de referência limpo. Podem ativar ou desativar interações, alterar quase livremente as formas das barreiras e introduzir desordem controlada.

As junções de átomos frios funcionam como uma versão depurada de um chip quântico, na qual os teóricos podem testar ideias sobre coerência, ruído e controlo antes de enfrentarem o complexo hardware de estado sólido.

Para além das aplicações, o resultado reforça a ponte conceptual entre diferentes áreas da física. A supercondutividade, o hélio superfluido e os condensados de Bose-Einstein surgem frequentemente em manuais distintos. No entanto, os efeitos Josephson atravessam todos esses temas como um fio comum. Observar degraus de Shapiro num gás de átomos torna essa ligação muito concreta.

Contexto adicional: o que é, na prática, um condensado de Bose-Einstein?

A expressão «condensado de Bose-Einstein» pode parecer abstrata, mas a preparação segue uma lógica clara. Começa-se com um gás diluído em vácuo. Utiliza-se uma combinação de arrefecimento por laser e aprisionamento magnético ou ótico para retirar energia aos átomos. Quando a temperatura desce até à gama dos nanokelvin, o comprimento de onda térmico de de Broglie de cada átomo aumenta e começa a sobrepor-se ao dos átomos vizinhos.

Nesse limiar, o gás deixa de se comportar como um conjunto de partículas individuais. Colapsa num único estado quântico. Uma função de onda descreve toda a nuvem. Este estado coletivo permite fenómenos como o fluxo sem atrito, os vórtices quantizados e o túnel Josephson entre condensados separados.

Em muitos aspetos, o condensado desempenha a mesma função que o superfluido de pares de Cooper num supercondutor. Esta semelhança faz dele um substituto natural dos portadores de carga na construção de circuitos-modelo com átomos.

Para onde podem avançar os circuitos baseados em átomos

Trabalhos futuros poderão levar estas junções atómicas a regimes que os atuais dispositivos de estado sólido têm dificuldade em atingir. Os investigadores poderão testar interações mais fortes, protocolos de excitação muito afastados do equilíbrio e padrões de ruído concebidos para avaliar modelos teóricos sob condições exigentes.

Há também espaço para abordagens híbridas. Uma linha de investigação procura acoplar átomos frios a circuitos supercondutores de micro-ondas, combinando as vantagens das duas plataformas. As junções Josephson atómicas, que já falam a «linguagem» dos degraus de Shapiro e da dinâmica de fase excitada, poderão integrar-se naturalmente nestes esquemas.

Para estudantes e engenheiros que entram na tecnologia quântica, estes avanços proporcionam um novo espaço experimental. Desenvolver intuição sobre fase, túnel e coerência tende a ser difícil quando tudo está escondido em encapsulamentos de chips. Ver os átomos reproduzirem a mesma física perante uma câmara dá a essa intuição uma base concreta, quase tátil.