《科学》重磅：夏皮罗台阶首次现身超冷原子结

夏皮罗台阶（Shapiro steps）是约瑟夫森效应的一个标志性特征，最初在受微波驱动的超导约瑟夫森结中被发现。这一现象具有深刻的量子力学起源，并构成了现代电压标准的基础。发表在《科学》的论文《Observation of Shapiro steps in an ultracold atomic Josephson junction》（在超冷原子约瑟夫森结中夏皮罗台阶的观测）标志着一个重大的里程碑：首次在超冷原子气体制成的约瑟夫森结中，成功观测到了这一量化现象。这项工作不仅证明了约瑟夫森效应在原子系统中的普适性，更重要的是，它提供了一个前所未有的、可直接观测的平台，以研究传统超导系统中难以触及的微观耗散动力学，特别是声子和孤子的成核与传播。

一、 约瑟夫森效应与夏皮罗台阶：概念重塑

1.1 约瑟夫森效应的核心

约瑟夫森效应描述的是两个量子流体（如超导体中的电子对或超流体中的中性原子）通过一个薄弱的连接（即“结”）时，能够发生无阻碍的量子隧穿。

• 超导结：超电流（电子对流）的大小取决于两侧量子波函数的相位差。此外，电压会使两侧的相位差随时间周期性变化。
• 原子结：在超冷原子气体中，原子流（粒子流）取决于两侧超流体的相位差。这里的化学势差（可以理解为原子版的“电压”）则控制着相位差随时间的变化率。

1.2 夏皮罗台阶的本质

当一个约瑟夫森结除了有稳定的直流驱动外，还受到一个外部高频交流信号（例如微波或周期性势垒调制）的影响时，会发生奇特的量子锁定现象。

• 当内在的约瑟夫森振荡频率（由直流电压或化学势差决定）与外部交流驱动频率成整数倍关系时，宏观的电流或粒子流就会被“锁定”，不再随驱动的微小变化而改变。
• 在超导结的电流-电压曲线上，这表现为电流在特定的量化电压值上出现平坦的平台，这些平台就是夏皮罗台阶。在原子结中，这表现为粒子流在特定的量化化学势差上出现平台。

二、 原子实验的设计与实施

2.1 建造原子约瑟夫森结

实验中，研究人员使用玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）作为超流体。他们用一束高度聚焦的排斥性激光束在BEC的中心制造了一个狭窄的势垒，这就是原子约瑟夫森结。

2.2 模拟驱动条件

为了模拟产生夏皮罗台阶所需的双重驱动，实验采用了巧妙的机械调制方式：

1. 直流驱动（模拟化学势差）：通过以恒定速度线性移动中心势垒，使结两侧的原子云产生一个相对运动，从而持续引入一个稳定的化学势差，驱动一个直流原子流。
2. 交流驱动（模拟微波辐射）：在势垒的线性运动轨迹上，再叠加一个周期性的微小振荡，这相当于给原子系统施加了一个高频的交流调制。

通过测量原子流（或两侧原子数的差异）随势垒运动速度（即化学势差）的变化，来寻找夏皮罗台阶。

三、 关键发现：量化与耗散的直接观察

3.1 量化关系的证明

实验结果清晰地显示，随着势垒速度的增加，原子流确实出现了离散的、平坦的平台。这些平台的高度（即化学势差）严格遵循一个量化关系：化学势差等于整数倍的普朗克常数乘以驱动频率。

这个结果直接证明了夏皮罗台阶现象的普遍性，即它不仅适用于带电的电子超导体，也适用于中性的原子超流体。

3.2 揭示耗散的微观机制

这项研究最大的价值在于，超冷原子系统具有极高的时空分辨率，使得研究人员能够直接对过程进行成像，从而揭示台阶现象背后的能量耗散机制。

1. 问题所在：当电流或原子流从一个夏皮罗台阶跃迁到下一个台阶时，系统需要耗散能量。在超导结中，这种耗散是间接推断的。
2. 原子系统的优势：研究人员可以直接观察到在台阶的边缘，原子流是如何通过激发来耗散能量的：

• 声子发射：在较低的流速下，系统主要通过产生声波（声子）来释放能量。
• 孤子成核：在更高的驱动下，系统会形成更复杂的、类似于孤立波的结构（孤子）。

通过对原子密度分布进行空间和时间上的追踪，研究人员实时地看到了这些激发在势垒附近产生、传播和离开的全过程 。这为我们理解宏观量子流体中临界流和耗散的起源提供了无可替代的直接证据。

四、 总结与意义

这篇论文的贡献是多方面的：

1. 普适性验证：它成功地在原子系统中复刻了电子系统中的核心量子现象，证明了约瑟夫森效应和夏皮罗台阶超越了特定的物质形式。
2. 深入理解耗散：它打开了一扇窗户，让我们能够以微观的视角，前所未有地观察到量子流体中的能量耗散过程。
3. 推动量子计量学：这项工作为未来在超冷原子领域开发基于频率量化的、高度精确的新型原子计量标准奠定了基础。

简而言之，这是一次将经典超导物理中的基本概念，移植到可控的量子模拟平台上的杰出尝试，极大地深化了我们对宏观量子相干现象的理解。