Ein Forschungsteam hat in einem System ultrakalter Atome erstmals sogenannte Shapiro-Stufen beobachtet – ein quantenphysikalisches Phänomen, das bislang vor allem aus der Supraleitung bekannt war. Die Entdeckung zeigt, dass sich kontrollierte Quanten-„Stufen“ auch mit neutralen Atomen realisieren lassen und eröffnet neue Möglichkeiten für Präzisionsexperimente und Quanten­technologien.

Worum geht es?

Shapiro-Stufen sind diskrete, stufenförmige Übergänge in der Dynamik eines Quantensystems, die auftreten, wenn ein periodisch angeregtes System mit einer externen Frequenz „in Takt“ gerät. Bekannt wurden sie in den 1960er-Jahren durch Experimente an Josephson-Kontakten in Supraleitern: Der elektrische Strom steigt dort nicht kontinuierlich, sondern in klar abgegrenzten Stufen an.

Neu ist nun: Ein ähnlicher Effekt lässt sich ohne elektrische Ströme, allein mit neutralen Atomen, beobachten.

Wie wurde das Experiment durchgeführt?

Die Forschenden kühlten Atome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ab. In diesem Zustand verhalten sich die Teilchen wellenartig und lassen sich extrem präzise kontrollieren.

• Die Atome wurden in einem optischen Gitter gefangen – einem durch Laser erzeugten periodischen Lichtmuster.

• Durch eine zeitlich periodische Anregung des Systems (etwa durch modulierte Laserfelder) geriet die kollektive Bewegung der Atome in Resonanz.

• Das Ergebnis: Die gemessene Dynamik zeigte klar abgegrenzte Stufen, analog zu den klassischen Shapiro-Stufen aus der Festkörperphysik.

Warum ist das wissenschaftlich relevant?

Die Beobachtung ist mehr als eine experimentelle Kuriosität:

1. Universelles Quantenprinzip
   Sie zeigt, dass Shapiro-Stufen kein Spezialfall der Supraleitung sind, sondern ein grundsätzliches quantenmechanisches Phänomen, das in sehr unterschiedlichen Systemen auftreten kann.

2. Neue Testumgebung für Quantentheorie
   Ultrakalte Atome gelten als besonders „saubere“ Systeme. Störeinflüsse lassen sich besser kontrollieren als in Festkörpern – ideal, um theoretische Vorhersagen zu überprüfen.

3. Potenzial für Quantentechnologien
   Die kontrollierte Erzeugung diskreter Quantenzustände könnte künftig für Quanten­sensoren, Zeit- und Frequenzstandards oder neuartige atomare Schaltelemente genutzt werden.

Einordnung und offene Fragen

Noch handelt es sich um Grundlagenforschung. Ob und wie sich der Effekt technisch nutzen lässt, ist offen. Auch bleibt zu klären, wie stabil die Stufen unter realistischeren Bedingungen sind und ob sich ähnliche Effekte in komplexeren Vielteilchensystemen zeigen.

Zudem basiert der aktuelle Bericht auf einer frischen Veröffentlichung, die zwar experimentell gut abgesichert erscheint, deren langfristige Bedeutung aber erst durch weitere Studien bestätigt werden muss.