Weltweit erstmals: Deutsches Team bildet Josephson-Kontakt mit Laser nach.

In an am deutschen Labor ham Forscher:innen es gschafft, a ultrakalte Wolkn aus Atomen so zu „überreden“, dass’s si wie a Schlüssl-Bauteil aus da Quanten-Elektronik verhalt – und des nur mit ana Laser-Barriere und extremer Kühlung.

A Quanten-Durchbruch, der si in am simplen Aufbau versteckt

Am Papier klingt des Gerät täuschend einfach: zwoa Reservoirs, dazwischen a Barriere, und Teilchen, die durch de Barriere durchtunneln. In da klassischen Elektronik is des a Josephson-Kontakt (Josephson junction): zwoa Supraleiter, getrennt durch an nur Nanometer dünnen Isolator.

Josephson-Kontakte san im Zentrum von vü Quanten-Technologien. Sie steckn hinter mehreren Quantencomputer-Designs, ultrasensiblen medizinischen Sensoren wie SQUID-Magnetometern, und sogor hinter da offiziellen Definition vom Volt in Metrologie-Labors.

Wos des Team an da RPTU Kaiserslautern-Landau gmacht hat, is: die gleiche Physik nachbauen – oba mit am komplett andern Werkzeugkastl. Ka supraleitendes Metall. Ka elektrischer Strom. Ka Kryostat voll flüssigem Helium. Nur ultrakalte Atome, im Hochvakuum mit Licht präzis arrangiert, und a Laser, der die Rolle von da Barriere spielt.

Die Eigenschaftn von am Josephson-Kontakt nur mit Atomen und Licht nachz’bildn zeigt, dass die zugrundliegendn Quanten-Gsetz wirklich universell san.

Wos macht an Josephson-Kontakt so besonders?

A normaler Josephson-Kontakt verbindet zwoa Supraleiter mit ana hauchdünnen isolierenden Schicht. In so am Aufbau verhalten si Elektronenpaare wie a einzige Quantenwelle. Sie kinnan a durch die Barriere tunneln, a wenn ka Spannung anliegt – a kontraintuitiver Effekt, bekannt als Josephson-Effekt.

No spannender wird’s, wenn ma den Kontakt mit Mikrowellen antreibt. Trifft des hochfrequente Signal auf den Kontakt, dann bilden die Strom–Spannungs-Kennlinien Plateaus, die ma Shapiro-Stufen nennt. Statt ana glatten Spannungs-Änderung „rastet“ des Signal auf diskrete Niveaus ein, die nur von grundlegenden Naturkonstanten abhängen: der Elementarladung und dem Planckschen Wirkungsquantum.

Metrologie-Institute nutzn diese quantisierten Stufen als Spannungs-Standards. Weil die Stufen auf Basis-Konstanten zurückgehn, san’s über die Zeit und von Labor zu Labor erstaunlich stabil.

Warum direkte Beobachtung trotzdem so schwer bleibt

In am Metall-Kontakt lauft des ois auf Skalen von nur wenigen Nanometern ab – und bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt. Die Elektronen sitzen in ana dichten, opaken Umgebung, eingebettet in an Festkörper. Einzelne Teilchen zu sondieren oder ihren Fluss in Echtzeit zu kartieren is mit heutiger Messtechnik fast unmöglich.

Darum setzn Physiker:innen auf „Quanten-Simulation“, um diese Hürde zu umgehn. D’Idee: ma baut a anderes, zugänglicheres System, des den gleichen Gleichungen folgt. Wenn beide Systeme unter ähnlichen Bedingungen gleich reagieren, steigt d’Zuversicht, dass ma wirklich die gleiche Physik sieht.

Quanten-Simulatoren tauschen die Komplexität von Festkörpermaterialien gegen saubere, kontrollierbare Atomwolken, wo ma jeden Parameter wie an Drehknopf einstellen kann.

Im deutschen Experiment: Atome statt Elektronen

Zwoa Kondensate und a „Klingn“ aus Laserlicht

Des Kaiserslauterer Team hat bei rund –273,12 °C gearbeitet, also nur a Bruchteil von am Grad überm absoluten Nullpunkt. Bei diesen Temperaturen gehn ausgewählte Atome in an einzigen Quantenzustand über – an Bose–Einstein-Kondensat. Die Atome verhalten si dann weniger wie einzelne Kugerl und mehr wie a gemeinsame Materiewelle.

Die Forscher:innen habn zwoa solche Kondensate nebeneinander in ana Vakuumkammer erzeugt. Dann ham’s an schmalen Laserstrahl als verstellbare Barriere dazwischen verwendet – des optische Gegenstück zur Isolatorschicht im Josephson-Kontakt. Indem’s die Barriere periodisch moduliert habn, ham’s den Effekt nachgmocht, den Mikrowellen bei am elektrischen Kontakt auslösen.

Während Atome hin und her zwischen die zwoa Kondensate tunnelt san, hat’s Team den Fluss und die resultierenden Phasenbeziehungen gemessen. Entscheidend: Sie ham klare Shapiro-Stufen in dem atom-basierten System beobachtet – genau des Kennzeichen, des ma aus klassischen supraleitenden Kontakten kennt.

• Zwoa atomare Reservoirs: Bose–Einstein-Kondensate als Pendant zu Supraleitern
• Laser-Barriere: optischer Ersatz für die dünne Isolatorschicht
• Periodische Modulation: Stellvertreter für Mikrowellen-Antrieb in der Elektronik
• Messergebnis: Shapiro-Stufen, jetzt sichtbar in am ultrakalten Gas

A Brückn zwischen Festkörper- und Atomphysik

D’Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment ging bis in feine Details, laut dem Science-Artikel „Observation of Shapiro steps in an ultracold atomic Josephson junction“, veröffentlicht am 11. Dezember 2025.

Diese enge Übereinstimmung zeigt, dass die gleiche mathematische Beschreibung sowohl Elektronen in Festkörpern als auch verdünnte Atome im Vakuum erfasst. Für Forscher:innen is diese Brückn mächtig: Sie kinnan „schmutzige“, stark wechselwirkende Materialien über saubere, langsamere Atomsysteme untersuchen, wo jeder Regler zugänglich is.

Des Experiment baut im Effekt an „durchsichtigen“ Josephson-Kontakt: Die Quantendynamik lässt si direkt beobachten – Teilchen für Teilchen.

Atomtronics: Schaltungen aus Materiewellen

Für dieses entstehende Feld hat si a Name eingebürgert: Atomtronics. Statt Leitungen und Halbleiterchips nutzn atomtronische Schaltungen geführte Ströme ultrakalter Atome. Der „Strom“ is nimmer elektrisch, sondern a Fluss von Materiewellen.

Die Kaiserslauterer Gruppe plant jetzt, über an einzelnen Kontakt hinauszugehn. Durch’s Verbinden mehrerer atomarer Josephson-Kontakte wolln’s komplexere Schaltungen aufbauen, die bekannten elektronischen Bauteilen entsprechen. Prinzipiell könnt des atom-basierte Analoga von SQUIDs, Interferometern oder sogor Elemente mit Qubit-ähnlichem Verhalten umfassen.

Anders als Chips, die in Silizium geätzt san, san diese Schaltungen vollständig rekonfigurierbar. Ändert ma die Laser-Muster, ändern si die Pfade, die die Atome nehmen. Die gleiche Hardware könnt viele verschiedene Geräte emulieren – ähnlich wie beim Umprogrammieren von am FPGA, nur halt mit Quantenmaterie statt Transistoren.

Warum des für Quanten-Technologie wichtig is

Moderne Quantenprozessoren hängen stark von Josephson-Kontakten aus supraleitenden Materialien ab. Trotzdem san vü Details – wie Kohärenz verloren geht, wie mikroskopische Defekte wirken oder wie Rauschen einwandert – schwer exakt zu fassen. In am atomaren Kontakt kann ma diese Fragen direkter angehn.

Mit ultrakalten Atomen kinnan Forscher:innen Quantenkohärenz in Echtzeit verfolgen, beobachten, wie Phasenunterschiede entstehen, und genau sehen, wann a System aus seinem empfindlichen Quantenregime „rauskippt“. Solche Einblicke könntn beim Design robusterer supraleitender Qubits oder neuer Sensor-Architekturen helfen.

System	Teilchen	Barriere	Typische Nutzung
Konventioneller Josephson-Kontakt	Cooper-Paare (Elektronen)	Dünne Isolatorschicht im Festkörper	Qubits, Spannungsstandards, Sensoren
Atomarer Josephson-Kontakt	Ultrakalte Atome im Kondensat	Fokussierter Laserstrahl	Quanten-Simulatoren, zukünftige atomtronische Schaltungen

Schlüsselkonzepte hinterm Experiment

Für Nicht-Spezialist:innen helfen drei Ideen, um diese Leistung einzuordnen.

Bose–Einstein-Kondensat

A Bose–Einstein-Kondensat is a Zustand der Materie, bei dem vü Atome den gleichen Quantenzustand besetzen und kollektiv agieren. Statt dass jedes Atom seinen eigenen Weg geht, verhält si des Ensemble wie a einzige Welle – wodurch Interferenz- und Tunnel-Effekte auf makroskopischen Skalen sichtbar werden.

Shapiro-Stufen

Shapiro-Stufen entstehen, wenn a oszillierendes Signal (z. B. Mikrowellen) an Josephson-Kontakt antreibt. Die Phase der Quantenwelle überm Kontakt synchronisiert si mit dem Antrieb und „verriegelt“ die Spannung auf diskrete Sprossen. Diese Sprossen bilden a Art Quanten-Stiege; jede Stufe entspricht ana klar definierten Beziehung zwischen Frequenz und Spannung.

Quanten-Simulation

Quanten-Simulation nutzt a kontrollierbares Quantensystem, um a anderes nachzuahmen, des schwer zugänglich is. In dem Fall stehn ultrakalte Atome für Elektronen in am Festkörper. Der Vorteil is die Einstellbarkeit: Wechselwirkungsstärke, Geometrie und äußere Felder lassen si ohne Verunreinigungen, Kristalldefekte oder Fertigungs-Eigenheiten variieren.

Wozu des als Nächstes führen könnt

In Zukunft kinnan atomtronische Kontakte als Testplattformen für neue Quantenbauteile dienen. Forscher:innen könntn zum Beispiel Netzwerke von Josephson-Kontakten simulieren, die in supraleitender Hardware mühsam zum Prototypisieren wärn, oder exotische Phasen untersuchen, die nur in stark gekoppelten Arrays auftreten.

Der gleiche Ansatz könnt außerdem Studierenden und Ingenieur:innen Intuition geben. Computersimulationen verstecken oft die „schirchn“ Details hinter Gleichungen. A Experiment, wo ganze Schaltungen aus sichtbaren, abbildbaren Atomen bestehn, vermittelt a greifbareres Gefühl für Kohärenz, Tunneln und Quanteninterferenz – Dinge, die der Alltagsintuition noch immer widersprechen.

Natürlich gibt’s praktische Grenzen. Atomtronische Geräte brauchn extreme Kühlung und Vakuumanlagen und san daher kaum Kandidaten für kommerzielle Laptops. Ihre Stärke liegt anderswo: als Präzisionswerkzeuge in Forschungslabors, als Referenzsysteme für Metrologie und als Plattformen, um Ideen zu testen, bevor ma sie in konventionellere Festkörper-Technologie übersetzt.

Während die Kaiserslauterer Gruppe und andere mehr von diesen atomaren Komponenten verbindet, entsteht leise a neue Art von Quanten-Schaltungstechnik – gebaut ned aus geätztem Silizium, sondern aus geformtem Licht und Materiewolken, kälter als der tiefe Weltraum.