Premiul Nobel pentru fizică în 2025 a fost acordat pentru „descoperirea efectului tunel la scară macroscopică și a cuantificării energiei într-un circuit electric”.
Laureații Premiului Nobel pentru fizică, John Clarke, Michel H. Devoret și John M. Martinis, toți din SUA, „au efectuat experimente cu un circuit electric în care au demonstrat atât efectul de tunel cuantic, cât și existența unor niveluri de energie cuantificate într-un sistem suficient de mare, încât să poată fi ținut în mână”, demonstrând, așadar, că proprietățile mecanicii cuantice pot fi observate la scară macroscopică.
Sistemul lor electric superconductor putea să etaleze comportamentul cuantic numit „efect tunel” (sau „tunelare cuantică”), ca și cum particulele ar fi trecut direct printr-un perete (echivalentul macroscopic). Ei au arătat, de asemenea, că sistemul absorbea și emitea energie în cantități precise, exact așa cum prevede mecanica cuantică.
• John Clarke – pentru descoperirea tunelării mecanico-cuantice macroscopice și a cuantificării energiei într-un circuit electric,
• Michel H. Devoret – pentru descoperirea tunelării mecanico-cuantice macroscopice și a cuantificării energiei într-un circuit electric,
• John M. Martinis – pentru descoperirea tunelării mecanico-cuantice macroscopice și a cuantificării energiei într-un circuit electric.
În anii 1984 și 1985, cei trei fizicieni au efectuat o serie de experimente la Universitatea din California, Berkeley. Ei au construit un circuit electric cu doi supraconductori, componente capabile să conducă curentul electric fără nicio rezistență. Între aceștia au interpus un strat subțire de material care nu conducea deloc curentul. În cadrul acestui experiment, au demonstrat că pot controla și studia un fenomen în care toate particulele încărcate din supraconductor se comportă la unison, ca și cum ar fi o singură particulă ce umple întregul circuit.
Progresele pentru care s-a acordat Premiul Nobel pentru fizică din acest an au deschis noi oportunități pentru dezvoltarea generației următoare de tehnologii cuantice, inclusiv în domeniile criptografiei cuantice, calculatoarelor cuantice și senzorilor cuantici.
Detalii privind experimentele pot fi accesate aici.
Efectul tunel
În fizică, efectul tunel, numit și tunelare cuantică, este un fenomen mecanic cuantic prin care un obiect cuantic, precum un electron sau un atom, trece printr-o barieră de energie potențială care, conform mecanicii clasice, nu ar trebui să poată fi traversată, deoarece obiectul nu are suficientă energie pentru a o depăși sau escalada.
Efectul tunel este o consecință a naturii ondulatorii a materiei, în care funcția de undă cuantică descrie starea unei particule sau a unui alt sistem fizic, iar ecuațiile de undă, precum ecuația lui Schrödinger, descriu comportamentul acestora.
Probabilitatea de transmitere a unui pachet de undă printr-o barieră scade exponențial odată cu înălțimea și grosimea barierei, precum și cu masa particulei; prin urmare, efectul este cel mai evident în cazul particulelor cu masă mică, precum electronii sau protonii, care pot trece prin bariere microscopic înguste.
Tunelarea poate fi detectată cu ușurință pentru bariere cu o grosime de aproximativ 1–3 nm sau mai mică, în cazul electronilor, și de circa 0,1 nm sau mai mică, în cazul particulelor mai grele, precum protonii sau atomii de hidrogen.
Efectul tunel joacă un rol esențial în fenomene fizice precum fuziunea nucleară și dezintegrările alfa ale nucleelor atomice. Aplicațiile efectului includ dioda tunel, calculul cuantic, memoriile flash și microscopul cu efect de tunel. Tunelarea impune, de asemenea, limite minimei dimensiuni a dispozitivelor utilizate în microelectronică, deoarece electronii pot trece cu ușurință prin straturi izolatoare și prin tranzistori mai subțiri de aproximativ 1 nm.
Cum putem observa efectul tunel?
Profesorul de fizică Rob Morris explică următoarele:
„Cheia pentru observarea acestei tunelări macroscopice este un dispozitiv numit „joncțiune Josephson”, în esență, un fir „rupt” sofisticat. Firul nu este unul obișnuit, de tipul celor folosite pentru a încărca un telefon, ci este făcut dintr-un material special numit superconductor.
Un superconductor nu are rezistență electrică, ceea ce înseamnă că un curent poate circula prin el la nesfârșit fără să piardă energie. Superconductoarele sunt folosite, de exemplu, pentru a crea câmpurile magnetice foarte puternice din aparatele de imagistică prin rezonanță magnetică.
Cum ne ajută acest lucru să explicăm comportamentul ciudat al tunelării cuantice? Dacă punem cap la cap două fire supraconductoare, separate de un strat izolator, obținem o joncțiune Josephson. Aceasta este fabricată, de regulă, într-un singur dispozitiv care, potrivit cunoștințelor de bază despre electricitate, nu ar trebui să conducă curent electric. Cu toate acestea, datorită tunelării cuantice, observăm că un curent electric reușește să traverseze joncțiunea.
Cei trei laureați ai premiului au demonstrat tunelarea cuantică într-un articol publicat în 1985. Tunelarea cuantică fusese anterior explicată printr-o presupusă deteriorare a stratului izolator. Cercetătorii au început prin a răci aparatul experimental până la o fracțiune de grad deasupra zero-ului absolut, cea mai scăzută temperatură posibilă.
Căldura poate furniza electronilor din conductori suficientă energie pentru a trece peste barieră. Prin urmare, ar fi logic să ne așteptăm ca, pe măsură ce dispozitivul este răcit, tot mai puțini electroni să scape. Însă, dacă are loc tunelare cuantică, ar trebui să existe o temperatură sub care numărul electronilor care trec prin barieră să nu mai scadă. Exact acest lucru l-au descoperit cei trei laureați”.
