Ovogodišnja Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je Johnu Clarkeu, Michelu H. Devoretu i Johnu M. Martinisu za otkriće da se kvantni fenomeni, prijelazi elektrona kroz barijere i diskretne razine energije, mogu pojaviti i u električnim krugovima dovoljno velikima da ih se može “držati u ruci”. Njihovi su pokusi pokazali da zakoni kvantne fizike vrijede i u sustavima vidljive veličine, čime su otvorili novo područje istraživanja makroskopskih kvantnih pojava.
Kraljevska švedska akademija znanosti objavila je dobitnike u Stockholmu 7. listopada. Ovo je 119. Nobelova nagrada za fiziku, a uz priznanje dolazi i novčana nagrada od 11 milijuna švedskih kruna, odnosno oko 1,2 milijuna američkih dolara.
Kvantne pojave vidljive golim okom
John Clarke sa Sveučilišta Kalifornije u Berkeleyju, Michel H. Devoret sa Sveučilišta Yale i Sveučilišta Kalifornije u Santa Barbari te John M. Martinis, također sa Sveučilišta Kalifornije u Santa Barbari, proveli su niz pokusa u kojima su dokazali da se kvantni učinci mogu pojaviti i u električnim krugovima “veličine ljudske ruke”.
“Blago rečeno, ovo je najveće iznenađenje u mom životu”, rekao je Clarke tijekom novinske konferencije nakon objave. “Potpuno sam zatečen. Nikada nisam ni pomislio da bi ovo moglo biti temelj za Nobelovu nagradu.”
Njegovo istraživanje, objašnjava, poslužilo je kao temelj suvremenim mikročipovima koji se danas primjenjuju u mnogim tehnologijama, od pametnih telefona do kvantnih računala.
Tuneliranje i kvantizacija energije
Fenomen koji su znanstvenici istraživali poznat je kao kvantno tuneliranje. U kvantnoj fizici čestice se ponašaju istodobno kao čestice i kao valovi, pa mogu “procuriti” kroz barijere koje bi prema zakonima klasične fizike trebale biti neprobojne. Slično kao što val koji udari u morski luk probije dio energije na drugu stranu, tako i kvantni val čestice ima određenu vjerojatnost da se pojavi s druge strane prepreke.
Zahvaljujući tom učinku elektroni mogu prelaziti iz jednog materijala u drugi kroz slojeve koji bi na makroskopskoj razini bili neprohodni. Do otkrića Clarkea, Devoreta i Martinisa tuneliranje je bilo opaženo samo kod pojedinačnih čestica. Fizičare je zato zanimalo može li do tuneliranja doći i kada se više čestica kreće zajednički.
Jedan od načina za ispitivanje takvog ponašanja bio je hlađenje materijala do ekstremno niskih temperatura, pri čemu elektroni tvore tzv. Cooperove parove, vezane parove elektrona koji se ponašaju prema drukčijim kvantnim pravilima od pojedinačnih čestica. Ti parovi mogu zauzimati isti prostor istodobno, slično kao fotoni svjetlosti, i pri tome teku bez otpora, stvarajući superprovodnost.
Eksperiment s Josephsonovim spojem
Kako bi dokazali postojanje ovog učinka, istraživači su postavili dva superprovodnika razdvojena tankim izolacijskim slojem, čime su stvorili tzv. Josephsonov spoj, eksperimentalni uređaj u kojem superprovodnici razdvojeni barijerom omogućuju kvantno tuneliranje elektrona. Tijekom sredine 1980-ih proveli su niz pokusa, pažljivo štiteći uređaj od vanjskih smetnji i uvodeći u njega slabu električnu struju.
U početku napona nije bilo, što je značilo da struja ne prolazi kroz barijeru. No ponavljanjem mjerenja primijetili su pojavu napona u određenim trenucima, što je dokazivalo da elektroni prolaze kroz sustav, tuneliranjem. U tom trenutku sustav se ponašao kao jedna velika kvantna čestica.
Znanstvenici su potom u sustav usmjerili mikrovalno zračenje kako bi pobudili elektrone. Pokazalo se da, unatoč tome što se radi o makroskopskom sustavu, Cooperovi parovi imaju diskretne, kvantizirane energetske razine, isto kao i pojedinačni atomi.
Novi put prema kvantnim tehnologijama
Otkriće makroskopskog kvantnog tuneliranja otvorilo je put čitavom nizu primjena, od fundamentalnih eksperimenata do razvoja kvantnih tehnologija. Sustavi koji se ponašaju kao jedan “umjetni atom” postali su temelj za suvremene kvantne procesore, kriptografske sustave i osjetljive kvantne senzore.
“Divno je što možemo slaviti činjenicu da kvantna mehanika, stara više od jednog stoljeća, i dalje donosi nova iznenađenja”, izjavio je Olle Eriksson, predsjednik Nobelova odbora za fiziku. “Usto je iznimno korisna, jer kvantna mehanika čini temelj sve digitalne tehnologije.”
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
