En los laboratorios más punteros del mundo, la física cuántica se está convirtiendo en una herramienta práctica para explorar fenómenos que antes solo se conocían en teoría o en condiciones casi inaccesibles. Ahora, un equipo de científicos ha logrado reproducir en un sistema de átomos ultrafríos un efecto característico de la electrónica superconductora. No se trata de un experimento más: lo que han creado es algo que funciona casi como un circuito, pero en lugar de cables y electrones, utiliza átomos y luz láser.
El resultado es tan sorprendente como prometedor. Por primera vez, se han observado los llamados pasos de Shapiro en una “unión Josephson atómica” construida con un gas cuántico de átomos fríos. Es decir, se ha logrado replicar en el mundo de los átomos un comportamiento que, hasta ahora, solo se conocía en materiales superconductores. El estudio, publicado en la revista Science, demuestra que es posible trasladar un fenómeno cuántico clave de la electrónica a un entorno completamente diferente: el de los condensados de Bose-Einstein.
Una unión Josephson... pero con átomos
Las uniones Josephson son estructuras extremadamente pequeñas que separan dos materiales superconductores mediante una barrera delgada. A pesar de su sencillez aparente, permiten el paso de corriente sin resistencia gracias a un fenómeno cuántico colectivo. Son esenciales en numerosas aplicaciones, desde sistemas de medición de precisión hasta el núcleo de los ordenadores cuánticos. Sin embargo, estudiar lo que ocurre en su interior a escala microscópica resulta muy difícil, ya que los procesos cuánticos suceden a velocidades altísimas y en espacios minúsculos.
Para resolver este problema, el equipo liderado por Herwig Ott propuso algo distinto. Quisieron construir un sistema análogo, pero usando átomos fríos en lugar de electrones. En concreto, emplearon un condensado de Bose-Einstein de átomos de rubidio, un tipo de estado cuántico en el que millones de átomos se comportan como una sola entidad. Para separar ese gas cuántico, utilizaron un láser focalizado que genera una barrera óptica móvil. Con ese montaje, lograron crear lo que podría describirse como una versión atómica de una unión Josephson.
Lo interesante es que, al mover la barrera de forma periódica, como si se aplicara una corriente alterna, aparecieron los pasos de Shapiro: escalones en la diferencia de potencial químico que son equivalentes a los saltos de voltaje observados en los dispositivos superconductores. Es la primera vez que se visualizan estos fenómenos en un sistema hecho con átomos y luz.
Qué son los pasos de Shapiro y por qué importan
En la electrónica cuántica, los pasos de Shapiro aparecen cuando una corriente alterna se superpone a una corriente continua en una unión Josephson. Lo que se observa es que la tensión no aumenta de forma continua, sino a escalones precisos, cuya altura depende solo de constantes fundamentales como la frecuencia aplicada y la constante de Planck. Es un efecto tan exacto que se usa como referencia internacional para definir el voltio.
La hazaña del equipo alemán ha sido demostrar que ese mismo fenómeno puede observarse en un sistema completamente distinto. Según los autores, “los escalones aparecen en la diferencia de potencial químico y su altura está cuantizada por la frecuencia del estímulo externo”. En lugar de corriente eléctrica, lo que se mide es un desequilibrio en la densidad de átomos a cada lado de la barrera.
Esta observación es mucho más que una curiosidad académica. Permite validar que el efecto Shapiro es un fenómeno universal, no exclusivo del mundo de los superconductores, sino aplicable también a gases cuánticos. Además, abre nuevas vías para investigar las leyes que gobiernan sistemas cuánticos complejos en condiciones más controlables y visualizables.
Una simulación cuántica con precisión experimental
Lo más notable de este trabajo es que no se limita a una imitación superficial. El experimento reproduce con fidelidad varios aspectos clave del fenómeno original, incluida la relación matemática entre la frecuencia del estímulo y la altura de los pasos. Los investigadores confirman que “la diferencia de potencial químico ∆µ está cuantizada como ∆µ = nhfₘ, donde n es el número del escalón, h la constante de Planck y fₘ la frecuencia del estímulo”.
Gracias a las propiedades de los átomos fríos, es posible estudiar cómo se propagan las excitaciones que causan esos escalones. El equipo observó que cada paso está relacionado con la aparición de solitones, unas ondulaciones en la densidad que se desplazan en el gas. En este caso, se identificaron como anillos de vórtices, estructuras cuánticas que emergen cuando la barrera óptica atraviesa el condensado. Estas excitaciones son las responsables del desequilibrio atómico, y por tanto, del efecto medido.
Además, los resultados fueron validados mediante simulaciones numéricas que reproducen el comportamiento del sistema bajo las mismas condiciones experimentales. Las coincidencias entre teoría y observación refuerzan la idea de que este montaje puede usarse como una herramienta de simulación cuántica con fines metrológicos y fundamentales.
Hacia una nueva electrónica sin electrones
Este trabajo no solo reproduce un efecto conocido: plantea una posible nueva arquitectura tecnológica. El equipo sugiere que varios de estos sistemas podrían conectarse entre sí para formar circuitos completos de átomos. En vez de electrones, fluirían átomos manipulados con luz láser en estructuras diseñadas a escala micrométrica.
Este campo emergente recibe el nombre de "atomtrónica", y promete aplicaciones que van desde la computación cuántica hasta la detección de campos o interferencias. Lo más interesante es que en estos sistemas se puede observar directamente el movimiento de las partículas, algo imposible en la electrónica convencional. Como dijo uno de los autores, “los circuitos atómicos son especialmente adecuados para observar efectos coherentes, es decir, comportamientos ondulatorios” .
El futuro de esta línea de investigación apunta a replicar no solo uniones Josephson, sino también otros componentes electrónicos en versión atómica. Esto permitiría estudiar con gran detalle cómo emergen los fenómenos cuánticos colectivos y cómo se pueden controlar para crear dispositivos más precisos, estables y escalables.
Referencias
- Erik Bernhart, Marvin Röhrle, Vijay Pal Singh, Ludwig Mathey, Luigi Amico, Herwig Ott. Observation of Shapiro steps in an ultracold atomic Josephson junction. Science (2025). DOI: 10.1126/science.adj3585.
