Лауреатами Нобелевской премии по физике стали ученые, открывшие квантово-механическое туннелирование

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2025 года стали британец Джон Кларк, американец Джон М. Мартинис и француз Мишель Х. Деворе. Они получили премию за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи, пишет Би-би-си.

Как говорится в пресс-релизе Нобелевского комитета, один из основных вопросов в физике — это максимальный размер системы, в которой могут проявляться квантово-механические эффекты. Лауреаты Нобелевской премии этого года провели эксперименты с электрической цепью, в которых продемонстрировали как квантово-механический туннельный эффект, так и квантованные уровни энергии в системе, достаточно большой, чтобы ее можно было взять в руки.

Принципы квантовой механики позволяют частице проходить сквозь барьеры с помощью механизма, называемого туннелированием. Как только в процессе участвует большое количество частиц, квантово-механические эффекты обычно становятся незначительными. Лауреаты премии этого года экспериментально показали, что квантово-механические свойства могут быть конкретизированы в макроскопическом масштабе.

В 1984-м и 1985-м годах Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис провели серию экспериментов с электронной схемой, построенной из сверхпроводников — компонентов, которые могут проводить ток без электрического сопротивления. В их схеме сверхпроводящие компоненты были разделены тонким слоем непроводящего материала — так называемый джозефсоновский контакт (эффект Джозефсона — это явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника).

Усовершенствовав и измерив все различные свойства своей схемы, ученые смогли контролировать и исследовать явления, возникающие при прохождении тока через нее. Вместе заряженные частицы, движущиеся через сверхпроводник, составляли систему, которая вела себя так, как если бы они были одной частицей, заполняющей всю схему.

Эта макроскопическая система, похожая на частицу, изначально находится в состоянии, при котором ток течет без напряжения. Система заперта в этом состоянии, как будто за барьером, который она не может преодолеть. В эксперименте система демонстрирует свой квантовый характер, умудряясь выйти из состояния нулевого напряжения посредством туннелирования. Изменение состояния системы обнаруживается по появлению напряжения.

Лауреаты также смогли продемонстрировать, что система ведет себя так, как и предсказывает квантовая механика — она поглощает или излучает только определенные количества (кванты) энергии.

«Замечательно, что квантовая механика, которой уже сто лет, продолжает преподносить новые сюрпризы. Кроме того, она чрезвычайно полезна, поскольку является основой всех цифровых технологий», — сказал Олле Эриксон, председатель Нобелевского комитета по физике.

Транзисторы в микрочипах компьютеров — один из примеров квантовой технологии, которая нас окружает. Нобелевская премия по физике этого года открыла возможности для разработки квантовых технологий следующего поколения, включая квантовую криптографию, квантовые компьютеры и квантовые датчики.