Нобелевская премия за квантовое туннелирование: физики из США впервые продемонстрировали эффект

Нобелевская премия по физике в этом году присуждена исследователям Джону Кларку, Мишелю Девору и Джону Мартинису за открытие эффектов макроскопического квантово-механического туннелирования и квантование энергии в электрической цепи. 

Кларк, Девор и Мартинис проводили эксперименты с электрическим контуром, демонстрируя значительные эффекты квантово-механического туннелирования и достаточно большие квантованные уровни энергии. Квантовая физика позволяет частицам проходить через барьеры в процессе, называемом туннелированием, тогда как классическая физика предполагает, что такие барьеры непреодолимы для частиц.

Когда в процессе участвует большое количество частиц, квантово-механические эффекты преимущественно становятся незначительными. Однако нынешние нобелевские лауреаты по физике экспериментально показали, что квантово-механические свойства не теряются в макроскопическом масштабе.

В 1984-1985 годах Кларк, Девор и Мартинис провели серию экспериментов, используя электронную схему из сверхпроводников с эффектом Джозефсона — тонким изоляционным слоем между двумя сверхпроводниками. Это позволило контролировать взаимодействие волновых функций двух сверхпроводников. Совершенствуя и измеряя все свойства этой схемы, ученые контролировали и исследовали явления, которые возникали во время прохождения тока. Заряженные частицы, которые двигались через сверхпроводник, образовывали состояние как бы одной частицы, которая заполняла всю схему.

Система сохранялась в этом состоянии, позволяя току протекать без напряжения. При этом исследователи фиксировали эффекты квантового туннелирования, что создавало кратковременное напряжение. Результаты экспериментов продемонстрировали квантовую природу в макромасштабе. Когда на цепь подавались волны различной частоты, некоторые из них провоцировали переход системы к более высоким энергетическим уровням.

Это стало первой демонстрацией квантования в достаточно большой энергетической системе, которую можно было бы подержать в руках. Эксперимент Кларка, Деворе и Мартиниса подтвердил, что квантовые эффекты не исчезают на больших масштабах, если частицы находятся в едином квантовом состоянии. Исследования ученых значительно подтолкнули развитие квантовой криптографии, квантовых компьютеров и датчиков.

Напомним, что в 2024 году Нобелевскую премию получили Джон Хопфилд и Джеффри Гинтон за разработку методов, которые легли в основу современного машинного обучения.

В 2023 году Нобелевскими лауреатами стали Пьер Агостини, Ференц Крауш и Анн Л’Юлье за обнаружение нового эффекта от взаимодействия лазерного света с атомами в газе, который можно использовать для создания более коротких импульсов света, которые измеряются в аттосекундах.

Источник: Комитет Нобелевской премии