Weltweit erster Durchbruch: Deutsches Team bildet Josephson-Kontakt allein mit einem Laser nach.

In einer Vakuumkammer, kälter als der Weltraum, brachten deutsche Forschende ultrakalte Atome dazu, einen zentralen Baustein der Quantentechnologie nachzuahmen.

Statt Drähten und Supraleitern nutzte ihr „Schaltkreis“ Licht und Materiewellen – und treibt das Quanten-Engineering in Richtung einer seltsamen neuen Art von „Elektronik“.

Wenn ein Quantenschaltkreis ganz ohne Drähte entsteht

In den meisten Laboren wirkt ein Josephson-Kontakt geradezu banal: zwei winzige supraleitende Teile, getrennt durch eine hauchdünne Isolierschicht. Keine beweglichen Teile. Kein Funken. Und doch treibt dieses mikroskopische Sandwich viele Quantencomputer, ultrasensitive medizinische Scanner und Spannungsnormale an.

Im Inneren paaren sich Elektronen und tunneln ohne elektrischen Widerstand durch den Isolator. Unter Mikrowellenstrahlung rastet die Spannung über dem Kontakt auf präzise Plateaus ein, die als Shapiro-Stufen bekannt sind. Diese Stufen hängen nur von universellen Konstanten ab: der Elektronenladung und dem Planckschen Wirkungsquantum. Metrologie-Labore nutzen diesen Effekt, um das Volt mit erstaunlicher Genauigkeit zu definieren.

Diese Geschichte spielt sich normalerweise in Metallstrukturen ab, die bis nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Alles passiert auf wenigen Nanometern, verborgen unter Fertigungsschichten. Man sieht die Elektronen nie direkt – man erschließt ihr Verhalten aus elektrischen Signalen.

In Kaiserslautern ersetzte ein Team Elektronen und Metall durch ultrakalte Atome und eine Laserbarriere – und beobachtete einen Josephson-Kontakt in Echtzeit.

Das Ergebnis, in Science unter dem Titel „Observation of Shapiro steps in an ultracold atomic Josephson junction“ veröffentlicht, ist das erste Mal, dass dieser charakteristische Effekt in einem Gas aus Atomen realisiert und direkt abgebildet wurde.

Warum Josephson-Kontakte weit über ein Nischenexperiment hinaus wichtig sind

Josephson-Kontakte stehen im Zentrum mehrerer Technologien:

• Supraleitende Qubits in vielen führenden Quantencomputern stützen sich auf sie, um Energieniveaus festzulegen.
• Magnetometer namens SQUIDs nutzen sie, um verschwindend kleine Magnetfelder zu detektieren – nützlich etwa in der Hirnbildgebung.
• Nationale Metrologieinstitute schalten Tausende davon in Reihe, um extrem stabile Spannungsreferenzen zu erzeugen.

In allen Fällen verhält sich der Kontakt wie ein Quantenventil für eine Superflüssigkeit aus Ladung. Cooper-Paare – gebundene Elektronenpaare im Supraleiter – tunneln kohärent durch die Barriere. Phasenunterschiede zwischen den beiden Seiten treiben einen widerstandslosen Strom.

Die Shapiro-Stufen zeigen, wie der Kontakt an einen äußeren Takt koppelt. Treffen Mikrowellen auf den Kontakt, synchronisiert sich das Tunneln mit der Strahlung. In der Strom-Spannungs-Kennlinie entstehen regelmäßige Stufen, deren Abstand die Mikrowellenfrequenz kodiert. Dieses Verhalten belegt, dass das Bauteil tatsächlich Quantengesetzen folgt – und nicht nur chaotischer klassischer Dynamik.

Warum direkte Beobachtung in Festkörpern fast nie gelingt

Diese Effekte in Metallen zu untersuchen, ist praktisch äußerst schwierig. Alles spielt sich auf Nanometerskalen ab. Die Elektronen bewegen sich in einem Kristallgitter und sind durch Materialschichten abgeschirmt. Sie direkt zu sondieren, ohne sie zu stören, ist nahezu unmöglich.

Für viele Fragen greifen Festkörperphysiker daher zu einem anderen Ansatz: Quantensimulation. Statt das Bauteil „aufzuschneiden“ und seine Elektronen zu beobachten, baut man ein anderes System, dessen Quantenregeln zum Original passen, dessen Bestandteile sich aber leichter kontrollieren und abbilden lassen.

Quantensimulatoren tauschen mikroskopische Ladungsträger gegen größere, langsamere Atome aus, die weiterhin der Quantenmechanik gehorchen, sich aber auf unter dem Mikroskop sichtbaren Längenskalen bewegen.

Hier spielen ultrakalte Atomgase ihre Stärke aus. Bei Temperaturen, die nur Haaresbreite über dem absoluten Nullpunkt liegen, gehen verdünnte Atomwolken in Bose-Einstein-Kondensate über. In dieser Phase verhalten sich Atome wie eine einzige kohärente Materiewelle. Forschende können sie mit Lasern fangen, Barrieren mit Licht formen und ihre Verteilung mit hochauflösenden Kameras verfolgen.

Wie das deutsche Team einen Josephson-Kontakt aus Atomen baute

Die Vakuumkammer und die Entstehung zweier Kondensate

Im Kaiserslauterner Experiment startete die Gruppe um Herwig Ott mit einer abgeschlossenen Vakuumkammer. Sie kühlten ein Atomgas auf etwa −273,12 °C, nur einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt. Bei dieser Temperatur verschwindet thermische Bewegung nahezu, und das Gas bildet ein Bose-Einstein-Kondensat – eine Superflüssigkeit aus Materiewellen.

Entscheidend: Sie blieben nicht bei einem Kondensat. Sie erzeugten zwei benachbarte Atomwolken, die sich jeweils wie eine separate Quantenflüssigkeit verhalten. In der Sprache der Supraleitung übernehmen diese beiden Kondensate die Rolle der beiden supraleitenden Elektroden eines Josephson-Kontakts.

Laser statt Isolator und Mikrowellen

Um den dünnen Isolator zwischen Supraleitern nachzuahmen, nutzte das Team eine Lichtschicht. Ein stark fokussierter Laserstrahl erzeugte eine schmale, einstellbare Barriere zwischen den beiden Kondensaten. Atome konnten durch diese Lichtwand tunneln – so wie Cooper-Paare durch die Isolierschicht in einem Festkörperkontakt.

Dann kam das Analogon zu Mikrowellen. Indem die Forschenden die Höhe oder Position der Laserbarriere periodisch modulierten, „schüttelten“ sie den Kontakt effektiv. Dieser periodische Antrieb entspricht der Mikrowellenstrahlung, die bei einem konventionellen Josephson-Kontakt angelegt wird.

Während die Barriere oszillierte, wechselten Atome hin und her zwischen den beiden Kondensaten. Die Teilchenzahldifferenz und die Phasenbeziehung entwickelten sich über die Zeit – und lieferten eine direkte Sicht auf den atomaren „Strom“.

Wenn die Laserbarriere mit den richtigen Frequenzen vibrierte, rastete der atomare Kontakt in deutliche Transport-Plateaus ein – die Materiewellen-Version der Shapiro-Stufen.

Dieses Verhalten ist nicht nur visuell eindrucksvoll. Es folgt den theoretischen Vorhersagen für Shapiro-Stufen mit hoher Präzision – einschließlich der Stufenpositionen und ihrer Abhängigkeit von der Antriebsstärke.

Was dieses Ergebnis weltweit erstmalig macht

Diese Arbeit ist die erste klare Beobachtung von Shapiro-Stufen in einem ultrakalten atomaren Josephson-Kontakt. Frühere Experimente mit kalten Atomen zeigten Josephson-Oszillationen und verwandte Phänomene, doch die quantisierte Antwort auf einen periodischen Antrieb war bislang schwer zu fassen.

Das Kaiserslauterner Team schloss diese Lücke. Ihr atomares System reproduzierte sowohl die Struktur als auch die quantitativen Details der Shapiro-Stufen, wie man sie aus Festkörperbauelementen kennt. Diese Übereinstimmung stützt die Idee, dass Josephson-Physik nicht von der mikroskopischen Natur der Teilchen abhängt – solange eine kohärente Quantenflüssigkeit durch eine Barriere tunnelt.

Zugleich liefert das System etwas, das Festkörpergeräte meist nicht bieten können: direkten, räumlich aufgelösten Zugriff auf den „Strom“. Kameras bilden die Atomwolken in situ ab. Forschende sehen Bild für Bild, wie sich die Dichteverteilung beim Tunneln verschiebt.

Konventioneller Josephson-Kontakt	Atomarer Josephson-Kontakt
Träger sind Cooper-Paare (gepaarte Elektronen)	Träger sind ultrakalte Atome in einem Kondensat
Barriere ist ein fester Isolator	Barriere ist ein einstellbarer Laserstrahl
Antrieb durch Mikrowellen	Antrieb durch periodische Modulation von Licht
Messung über Spannung und Strom	Messung über Bilder von Atomzahl und Phase

Ein Schritt hin zu „Atomtronics“ – Schaltkreise aus Materiewellen

Die Arbeit passt in ein wachsendes Feld, das manchmal Atomtronics genannt wird. Die zentrale Idee: schaltkreisartige Netzwerke nicht aus Metallen und Halbleitern zu bauen, sondern aus geführten Flüssen ultrakalter Atome. In diesen Schaltkreisen übernimmt kohärente Materiewelle die Rolle des elektrischen Stroms.

Atomtronische Komponenten könnten umfassen:

• Atomare Josephson-Kontakte als Quantenschalter oder Interferometer-Elemente.
• Ringförmige Fallen, die wie supraleitende Schleifen in SQUIDs funktionieren.
• Netzwerke aus Kondensaten, die künstliche Gitter mit einstellbarer Geometrie bilden.

Durch das Verketten mehrerer atomarer Kontakte will die Kaiserslauterner Gruppe vollständige Schaltungen aufbauen, die komplexe supraleitende Bauelemente nachahmen. Statt sich auf abstrakte Modelle zu verlassen, hätten Physiker eine Tischplattform, auf der sie „Quantenelektronik“ in Zeitlupe und mit Pixel-Detailgrad nachspielen können.

Solche Schaltungen könnten auch als ultrasensitive Sensoren dienen. Da Kondensate stark auf kleinste Änderungen von Magnetfeldern, Gravitation oder Rotation reagieren, könnten sorgfältig konstruierte atomtronische Schleifen heutigen Quantensensoren in Geophysik oder Navigation Konkurrenz machen oder sie ergänzen.

Was das für Quantencomputing und Grundlagenphysik bedeutet

Supraleitende Quantenprozessoren – von Tech-Konzernen bis Start-ups – nutzen Josephson-Kontakte als zentrale nichtlineare Elemente. Zu verstehen, wie Kohärenz zerfällt und wie Rauschen in diese Schaltungen eindringt, bleibt eine große Herausforderung. Viele Effekte verbergen sich hinter Fertigungsungenauigkeiten oder Materialdefekten, die schwer zu isolieren sind.

Atomare Kontakte umgehen diese Probleme. Die Atome schweben in einem nahezu perfekten Vakuum. Ihre Wechselwirkungen und ihre Umgebung sind hochgradig kontrollierbar. Indem Josephson-Dynamik mit Atomen nachgebaut wird, erhalten Forschende ein sauberes Referenzsystem. Sie können Wechselwirkungen ein- und ausschalten, Barriereformen fast beliebig verändern und kontrollierte Unordnung einführen.

Kaltatom-Kontakte wirken wie eine „aufgeräumte“ Version eines Quantenchips, an der Theoretiker Ideen zu Kohärenz, Rauschen und Kontrolle testen können, bevor sie sich mit der unübersichtlichen Festkörper-Hardware auseinandersetzen.

Über Anwendungen hinaus stärkt das Ergebnis die konzeptionelle Brücke zwischen verschiedenen Bereichen der Physik. Supraleitung, superfluides Helium und Bose-Einstein-Kondensate erscheinen oft in getrennten Lehrbüchern. Doch Josephson-Effekte ziehen sich als gemeinsamer Faden durch alle. Shapiro-Stufen in einem Atomgas zu sehen, macht diese Verbindung sehr konkret.

Zusatzkontext: Was ist ein Bose-Einstein-Kondensat in der Praxis?

Der Begriff „Bose-Einstein-Kondensat“ kann abstrakt wirken, doch das Rezept folgt einer klaren Logik. Man beginnt mit einem verdünnten Gas im Vakuum. Mit einer Kombination aus Laserkühlung und magnetischer oder optischer Falle wird den Atomen Energie entzogen. Wenn die Temperatur in den Nano-Kelvin-Bereich fällt, wächst die thermische de-Broglie-Wellenlänge jedes Atoms und beginnt, sich mit der seiner Nachbarn zu überlappen.

An diesem Punkt verhält sich das Gas nicht mehr wie viele einzelne Teilchen. Es „kollabiert“ in einen einzigen Quantenzustand. Eine Wellenfunktion beschreibt die gesamte Wolke. Dieser kollektive Zustand ermöglicht Phänomene wie reibungsfreien Fluss, quantisierte Wirbel und Josephson-Tunneln zwischen getrennten Kondensaten.

In vieler Hinsicht spielt das Kondensat dieselbe Rolle wie die Superflüssigkeit aus Cooper-Paaren in einem Supraleiter. Diese Ähnlichkeit macht es zu einem natürlichen Stellvertreter für Ladungsträger, wenn man Modellschaltungen aus Atomen baut.

Wohin atomare Schaltkreise als Nächstes führen könnten

Künftige Arbeiten könnten diese atomaren Kontakte in Bereiche treiben, die heutige Festkörperbauelemente nur schwer erreichen. Forschende können stärkere Wechselwirkungen testen, Antriebsprotokolle weit außerhalb des Gleichgewichts fahren und maßgeschneiderte Rauschmuster einsetzen, um theoretische Modelle zu stressen.

Auch Hybridansätze sind denkbar. Eine Forschungsrichtung zielt darauf, kalte Atome an supraleitende Mikrowellenschaltkreise zu koppeln und so die Stärken beider Plattformen zu verbinden. Atomare Josephson-Kontakte, die bereits die „Sprache“ von Shapiro-Stufen und getriebener Phasendynamik sprechen, könnten sich in solche Konzepte natürlich einfügen.

Für Studierende und Ingenieure, die in die Quantentechnologie einsteigen, eröffnen diese Entwicklungen ein neues experimentelles Spielfeld. Intuition für Phase, Tunneln und Kohärenz aufzubauen, ist schwer, wenn alles in Chipgehäusen verborgen bleibt. Atome dabei zu beobachten, wie sie dieselbe Physik vor der Kamera ausführen, gibt dieser Intuition eine konkrete, fast greifbare Grundlage.