一项新的磋议刚刚发表在泰斗期刊《科学》上。德国凯泽斯劳滕-兰说念大学的科学家们干了件挺酷的事：他们没用任何超导材料，而是用两团温度接近十足零度的原子云，成效复制了超导时刻里一个极为要津的好意思瞻念——夏皮罗台阶。简便说，他们在一个完全不同的“舞台”上，演出了一出正本只在超导宇宙里智商看到的量子力学“魔术”。

图释：实验在真空室中进行，通过激光冷却产生温度为30 nK的超冷原子云。图中：赫尔维格·奥特教练和埃里克·伯恩哈特博士。图片起首：RPTU，托马斯·科皆尔

这项磋议的中枢，是在模拟一个叫“约瑟夫森结”的东西。约瑟夫森结听起来生分，但它可能是你身上最“贵”的部件之一——好多正在研发中的量子筹算机，它的中枢部件等于约瑟夫森结。它还能用来测量极其渺小的东说念主体脑磁场，用于医疗会诊。它的结构非凡的简便：两片超导体，中间夹着一层薄到极致的绝缘层。但就在这个简便的结构里，会发生一种神奇的量子隧穿效应，允许电子对（库珀对）像穿过墙壁一样穿过绝缘层，变成超导电流。

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问题是，这个进程发生在微不雅层面，径直不雅察它相当艰难。就好比你只看到水流过水坝，却看不清每一滴水的畅通轨迹。于是，德国磋议团队用了一个叫“量子模拟”的高超目标：用一个更“听话”、更容易不雅察的系统，去重现另一个复杂系统的行为。他们给与的“演员”，是两团被称为玻色-爱因斯坦凝合体（BEC）的超冷原子气体。这种气体的温度低到弗成念念议，只须30纳开尔文，也等于比十足零度（-273.15℃）只是高出零点零零零零零零零三度。在这种极寒下，通盘原子险些“同步”行为，发扬出宏不雅的量子波动特点，某种道理上，不错被看作是一种“超流体”。

他们的实验安设就像一个极其精密的“原子三明治”。科学家们用一束聚焦的激光，制造出一个相当薄的光学樊篱，把一团BEC原子云分割成两团，就像用一派极薄的光学刀片切开果冻。然后，他们让这个激光樊篱启动有规章地往返渺小激荡（周期性调制）。这个激荡的动作，等于在模拟践诺约瑟夫森褂讪验中，用微波去照耀结区，从而产生交变电流的情形。

实验不雅察到的后果，让磋议东说念主员相当欢快：在原子系统中，出现了明晰、等间距的“台阶”。这恰是他们要寻找的“夏皮罗台阶”。在超导约瑟夫森结里，当施加一个微波信号时，结两头的电压不会连气儿变化，而是会像上台阶一样，一级一级地跳变。每一级台阶的高度，只跟两个东西筹商：一个基本物理常数（普朗克常数除以两倍电子电荷）和微波的频率。正因为它如斯牢固、只依赖于当然界的基本常数，夏皮罗台阶成了全宇宙界说“伏特”这个电压单元的物理基准。

你不错把它遐想成一把刻度极其精确的“量子尺子”。当前，这把尺子不仅能用超导材料作念出来，还能用一团冰冷的原子气体制出来。这阐述，夏皮罗台阶这个好意思瞻念，它背后的物理道理相当深切和大量，卓著了具体的材料抛弃。用论文作家赫维格·奥特教练的话说，这“证实了夏皮罗台阶是一种大量好意思瞻念”。这个实验的价值，就像用乐高积木齐备复刻了一座埃菲尔铁塔，诚然材料迥乎不同，但背后的力学和结构道理是重叠的。它匡助咱们更纯正地知晓好意思瞻念的践诺。

更好奇艳羡好奇艳羡好奇艳羡好奇艳羡的是，因为用的是原子而不是电子，磋议东说念主员不错径直“看到”这些量子进程的发生。在超导体里，电子太小、畅通太快，径直成像极其艰难。但在原子系统里，他们不错用高精度的显微镜径直不雅测原子的流动和散播，相当于给量子能源学进程拍了一部“慢动作记录片”。相似实验的博士生埃里克·伯恩哈特就提到，这种“原子电路”特别相宜不雅察波动的、联系的量子效应。

这项磋议为以前一个叫“原子电子学”（atomtronics）的鸿沟铺了路。这个鸿沟的指标，不是用电子来传输信息和惩办信号，而是用中性原子来充任“电流”。科学家们但愿像搭积木一样，用这种原子约瑟夫森结算作基本单元，贯穿成更复杂的原子电路。奥特教练的团队下一步就想这样干。遐想一下，以前可能有一种全新的“原子芯片”，上头的“导线”里流动的不是电荷，而是有特定量子态的原子的波。这种系统可能对干与更不敏锐，为磋议量子信息和模拟更复杂的多体物理问题提供全新平台。

归来来说，这个实验是一次漂亮的“跨界”演示。它把凝合态物理（超导）中的中枢难题，滚动到了原子分子物理（超寒气体）的舞台上，用后者更明晰的“镜头谈话”，匡助咱们看懂了前者的“脚本”。这不仅加深了咱们对约瑟夫森效应这一要津时刻背后道理的知晓，也掀开了一扇新的大门：用可控的原子系统，去模拟和探索其他难以涉及的量子宇宙。科学的跳动，有期间等于这样，用一个鸿沟的“知道见底”，照亮了另一个鸿沟的“高超莫测”。

参考文件：

Erik Bernhart et al, Observation of Shapiro steps in an ultracold atomic Josephson junction, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ads9061发布于：甘肃省