Долгое время считалось, что квантовые эффекты проявляют себя только для частиц в микромире. Лауреаты этого года показали, что квантовыми свойствами могут обладать и крупные системы, из множества частиц, которые можно даже потрогать и разместить на ладони.

Профессора Джон Кларк из Калифорнийского университета (Беркли, США), Майкл Деворе из Йельского университета (Нью-Хейвен, США) и Калифорнийского университета (Санта-Барбара, США), а также Джон Мартинис из Калифорнийского университета (Санта-Барбара, США) стали лауреатами Нобелевской премии по физике 2025 года «за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи».

Джон Кларк - профессор  Калифорнийского университета (Беркли, США). Родился в 1942 году в Великобритании. (Фото Калифорнийского университета)

Майкл Деворе - профессор Йельского университета (Нью-Хейвен, США) и Калифорнийского университета (Санта-Барбара, США). Родился в 1953 году во Франции. (Фото Йельского университета)

Джон Мартинис - профессор Калифорнийского университета (Санта-Барбара, США). Родился в 1958 году в США. (Фото Корнельского университета, США)

Иллюстрация туннелирования при альфа-распаде. Крошечный фрагмент (альфа-частица) ядра большого атома отрывается и оказывается вне его, хотя энергии у него для этого недостаточно. (Рис. Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

1. В обычном проводнике электроны существуют поодиночке, они сталкиваются друг с другом и с атомами материала.
2. В сверхпроводнике электроны объединяются в куперовские пары и образуют ток, где сопротивление отсутствует. Разрыв на иллюстрации обозначает джозефсоновский переход.
3. Куперовские пары могут вести себя как единая частица, заполняющая всю электрическую цепь. Квантовая механика описывает это коллективное состояние с помощью общей волновой функции. Свойства этой волновой функции играют ведущую роль в эксперименте лауреатов Нобелевской премии по физике 2025 года.
(Рис. Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Квантовая физика составляет одну из основ современной физики и целого ряда важнейших технологий, на которых основаны, например, лазеры и многие устройства электроники. Её основы были заложены около ста лет тому назад, когда были обнаружены квантовомеханические явления в микромире, которые не наблюдаются в обычном макромире.

К ним относится, в частности, квантование, т.е. изменение определёнными порциями характеристик частиц: энергии, импульса и других, а также квантовое туннелирование — явление, при котором квантовая частица (электрон, альфа-частица и т.п.) может "просочиться" через энергетический барьер, даже если её энергия для этого недостаточна. С точки зрения классической макроскопической физики это невозможно: мячик не сможет перекатиться через горку, если ему не хватает энергии. Благодаря туннелированию происходят, например, некоторые виды радиоактивного распада ядер атомов.

В макромире тела состоят из большого числа частиц и квантово-механические эффекты обычно становятся исчезающе малы. Однако они важны для практического использования, и поэтому очень важно найти макроскопические устройства, обладающие квантовыми свойствами. Это и удалось лауреатам Нобелевской премии по физике 2025 года.

В 1984 и 1985 годах Джон Кларк, Майкл Деворе и Джон Мартинис провели в Калифорнийском университете в Беркли серию экспериментов с электрической цепью, построенной из двух сверхпроводников, разделённых тонким слоем непроводящего материала. Такое устройство известно как джозефсоновский переход, или контакт. Его особенность заключается в том, что через непроводящий промежуток может течь сверхпроводящий ток благодаря туннельному эффекту.

Они сумели и обнаружить в этой системе  квантово-механическое туннелирование, и показать, что она ведёт себя в соответствии с законами квантовой механики — поглощает или испускает только определенное количество энергии. Отметим, что для защиты экспериментальной установки от всех помех, которые могли на неё повлиять, исследователям потребовались огромные усилия и точность.

Для измерения квантовых явлений исследователи подавали слабый ток в джозефсоновский переход и измеряли напряжение на концах цепи, которое зависит от электрического сопротивления в ней. Изначально напряжение на переходе, как и ожидалось, было равно нулю. Через некоторое время напряжение появлялось из-за изменения состояния благодаря туннелированию. Поскольку в квантовой механике этот процесс происходит в случайные моменты времени, лауреаты провели многочисленные статистические измерения, похожие на измерения периодов полураспада атомных ядер.

Обнаруженное явление, при котором квантовый эффект туннелирования наблюдается не на уровне отдельных микрочастиц, а на уровне макроскопических объектов или систем, состоящих из миллиардов частиц, получило название макроскопическое квантовое туннелирование. Лауреаты не только показали путь создания устройств, где это явление возможно, но и разобрались в его природе. Ток через сверхпроводник протекает без напряжения, а электроны объединяются в так называемые куперовские пары. Оказалось, что в экспериментальном контуре все куперовские пары вместе ведут себя так, будто являются единой гигантской частицей, заполняющей всю цепь. Их единая волновая функция и определяет квантово-механические свойства системы.

Открытие макроскопических квантовых систем не только расширяет границы квантовой физики, но и открывает новые возможности как для экспериментов, использующих квантовые явления, так и разработки новых технологий и устройств, таких как квантовые компьютеры, квантовая криптография, высокоточные датчики и измерительные приборы.

По материалам Нобелевского комитета