All'interno dei computer quantistici, degli strumenti di misura più precisi al mondo e persino nelle apparecchiature mediche che mappano l'attività cerebrale, opera un dispositivo quantistico apparentemente semplice ma straordinariamente potente: la giunzione di Josephson. Composta da due superconduttori separati da un sottilissimo strato isolante, questa struttura sfrutta effetti quantistici che avvengono a scale impossibili da osservare direttamente. Ora, un gruppo di ricerca dell'Università RPTU di Kaiserslautern-Landau ha ricreato questo fenomeno utilizzando atomi ultrafreddi invece di elettroni, dimostrando che i principi alla base della metrologia elettrica moderna sono universali e trascendono i confini tra sistemi fisici completamente diversi.
La metodologia sviluppata dal team guidato da Herwig Ott rappresenta un esempio paradigmatico di simulazione quantistica. Invece di tentare di osservare gli elettroni all'interno di materiali superconduttori, dove i processi quantistici rimangono nascosti alla scala microscopica, i ricercatori hanno lavorato con due condensati di Bose-Einstein separati da una barriera ottica estremamente sottile. Questa barriera, generata da un raggio laser focalizzato e mosso in modo controllato e periodico, ha riprodotto le condizioni che si verificano in una giunzione di Josephson convenzionale esposta a radiazione a microonde. Nel dispositivo elettronico, le microonde inducono una corrente alternata attraverso il contatto superconduttore; nell'esperimento atomico, la barriera laser in movimento ha svolto esattamente la stessa funzione.
I risultati, pubblicati sulla rivista Science, hanno rivelato la comparsa degli inconfondibili gradini di Shapiro: plateaux quantizzati che emergono a multipli precisi della frequenza di modulazione applicata. Questi gradini costituiscono il fondamento dello standard internazionale per il volt, dipendendo esclusivamente da costanti fondamentali della fisica e dalla frequenza della perturbazione esterna. La loro osservazione in un sistema atomico conferma che si tratta di un fenomeno universale, non limitato alla fisica dei superconduttori ma esteso a qualsiasi sistema quantistico con caratteristiche appropriate.
La collaborazione con i fisici teorici Ludwig Mathey dell'Università di Amburgo e Luigi Amico del Technology Innovation Institute di Abu Dhabi ha permesso di costruire un ponte concettuale tra i mondi quantistici degli elettroni e degli atomi. Come sottolinea Ott, un effetto quantomeccanico dalla fisica dello stato solido viene trasferito a un sistema completamente diverso, eppure la sua essenza rimane identica. Questa capacità di mappare fenomeni complessi da un sistema fisico a un altro, più controllabile e osservabile, rappresenta il valore fondamentale della simulazione quantistica come strumento di indagine scientifica.
L'importanza tecnologica delle giunzioni di Josephson è difficile da sovrastimare. Oltre a definire lo standard metrologico del volt utilizzato in tutto il mondo, questi dispositivi permettono misurazioni di campi magnetici estremamente deboli, trovando applicazione nella magnetoencefalografia, una tecnica di imaging medico che rileva i segnali magnetici generati dall'attività neuronale nel cervello umano. La precisione quantistica di questi componenti è ciò che rende possibili diagnostiche così sensibili, evidenziando come la comprensione profonda dei fenomeni quantistici si traduca direttamente in benefici pratici per la medicina e la tecnologia.
La ricerca apre prospettive significative nel campo emergente dell'atomtronica, dove circuiti completi verrebbero costruiti utilizzando atomi invece di elettroni. Erik Bernhart, che ha condotto gli esperimenti nell'ambito del suo dottorato di ricerca, spiega che questi circuiti atomici sono particolarmente adatti per osservare effetti coerenti, ovvero comportamenti ondulatori della materia. A differenza degli elettroni nei materiali solidi, gli atomi in questi circuiti possono essere osservati direttamente mentre si muovono, offrendo una finestra senza precedenti sui comportamenti quantistici. Il gruppo di ricerca intende ora collegare multiple giunzioni atomiche per formare circuiti completi, replicando altri componenti fondamentali dell'elettronica e comprendendoli precisamente a livello microscopico.
