Σε μια ανακάλυψη που ενδέχεται να επαναστατήσει τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τις ηλεκτρικές μετρήσεις, μια ομάδα ερευνητών από το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μη Γραμμικής Φασματοσκοπίας (LENS) και το Εθνικό Ινστιτούτο Οπτικής (CNR-INO) στη Φλωρεντία, έκανε μια επαναστατική πρόοδο που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν αποκλειστική τομέα των υπεραγωγών. Για πρώτη φορά στην ιστορία, παρατηρήθηκαν τα λεγόμενα «βήματα Shapiro» σε ένα σύστημα υπέρψυχρων ατόμων, γεγονός που ανοίγει το δρόμο προς το «κβαντικό Βολτ» της επόμενης γενιάς.
Η ερευνητική αυτή πρωτοβουλία, η οποία δημοσιεύτηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Science, σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς την εποχή της «Ατομτρονικής (Atomtronics)», μιας νέας τεχνολογίας που επιδιώκει να αντικαταστήσει τα ηλεκτρόνια με άτομα, παρέχοντας την ικανότητα δημιουργίας κυκλωμάτων απαράμιλλης ακρίβειας.
Από Υπεραγωγούς σε Υπέρψυχρα Αέρια
Μέχρι σήμερα, η αναφερόμενη τάση (το Βολτ) ορίζονταν μέσω του φαινομένου Josephson, που απαιτεί τη χρήση υπεραγωγών, υλικών ικανών να αγωγή τον ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, αλλά που χρειάζονται ακραία ψύξη. Όταν μια τέτοια επαφή (γνωστή ως επαφή Josephson) υποβάλλεται σε ακτινοβολία μικροκυμάτων, η τάση που αντιλαμβανόμαστε δεν αυξάνεται ομαλά, αλλά «πηδά» σε συγκεκριμένα, «κβαντικά σκαλοπάτια». Αυτή είναι η ουσία των βημάτων Shapiro.
Η ομάδα στην Ιταλία, με επικεφαλής την Giulia Del Pace και τον Giacomo Roati, κατάφερε να αναπαράγει αυτό το φαινόμενο χωρίς τη χρήση υπεραγωγών. Αντ’ αυτού, χρησιμοποίησαν ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein: ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου που ψύχθηκε σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, επιτρέποντας την ύλη να συμπεριφέρεται ως μια ενιαία κβαντική οντότητα.
Η «Ατομική» Επαφή Josephson
Το πείραμα αυτό ήταν ένας άθλος μηχανικής ακρίβειας. Οι ερευνητές χώρισαν το νέφος των ατόμων στα δύο, χρησιμοποιώντας μία δέσμη laser ως φράγμα. Αυτό το φράγμα λειτούργησε ως η «επαφή», επιτρέποντας στα άτομα να περνούν από τη μία πλευρά στην άλλη μέσω του κβαντικού φαινομένου της σήραγγας.
Όταν οι επιστήμονες εφάρμοσαν μία περιοδική διαταραχή στο φράγμα – μιμούμενοι την εναλλασσόμενη ροή – 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 αυξάνεται σε σταθερά, κβαντικά βήματα. Έτσι, δημιούργησαν για πρώτη φορά τα βήματα Shapiro με ουδέτερα άτομα.
Γιατί Αυτή η Ανακάλυψη Αλλάζει τα Δεδομένα;
Η σημασία αυτού του εγχειρήματος εκτείνεται πέρα από τα όρια των εργαστηρίων φυσικής. Η ικανότητα δημιουργίας προτύπων τάσης με ουδέτερα άτομα προσφέρει συγκριτικά πλεονεκτήματα που οι υπεραγωγοί δυσκολεύονται να ανταγωνιστούν:
- Κβαντική Προσομοίωση: Σύμφωνα με την Giulia Del Pace, η χρήση υπέρψυχρων ατόμων περιγράφει «σαν να παρακολουθείς την κβαντομηχανική σε αργή κίνηση». Φαινόμενα που συμβαίνουν στους υπεραγωγούς αστραπιαία, εδώ μπορούν να μελετηθούν με ακρίβεια.
- Νέοι Αισθητήρες: Αυτή η τεχνολογία ανοίγει νέους ορίζοντες για την ανάπτυξη αισθητήρων βαρύτητας και επιτάχυνσης εξαιρετικής ευαισθησίας, χρήσιμων από γεωλογικές εφαρμογές μέχρι πλοηγήσεις χωρίς GPS.
- Ατομτρονική: Ανοίγονται δρόμοι για την ανάπτυξη συσκευών που χρησιμοποιούν ροές ατόμων αντί ηλεκτρονίων, προσφέροντας λύσεις εκεί που οι παραδοσιακές ηλεκτρονικές τεχνολογίες αρχίζουν να φτάνουν στα όριά τους.
Καθώς η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα αναζητά νέους τρόπους να εκμεταλλευτεί την «δεύτερη κβαντική επανάσταση», η απόδειξη ότι είναι εφικτή η κβαντισμένη τάση χωρίς την ανάγκη υπεραγωγών προβάλλει ως ένα θεμελιώδες κομμάτι του παζλ που χαράσσει το μέλλον. Δε μιλάμε πλέον για καθαρά θεωρητικά σενάρια, αλλά για μια συγκεκριμένη πραγματικότητα που καθιστά το «κβαντικό Βολτ» πιο κοντά από ποτέ.
