Носителите на Нобелова награда за физика за 2025 г., Джон Кларк, Мишел Деворе и Джон Мартинис, със серия от експерименти са демонстрирали, че странните свойства на квантовия свят могат да бъдат конкретизирани в система, достатъчно голяма, за да се държи в ръка. Тяхната свръхпроводяща електрическа система може да тунелира от едно състояние в друго, сякаш преминава директно през стена. Те също така са показали, че системата абсорбира и излъчва енергия на порции с определени размери, точно както е предсказано от квантовата механика.
Серия от новаторски експерименти
Квантовата механика описва свойства, които са значими само в мащаб, включващ единични частици. В квантовата физика тези явления се наричат микроскопични, дори когато са много по-малки, отколкото могат да се видят с помощта на оптичен микроскоп, за разлика с макроскопичните явления, които се състоят от голям брой частици. Например една обикновена топка е изградена от астрономическо количество молекули и не показва квантово-механични ефекти. Знаем, че топката ще отскочи обратно всеки път, когато бъде хвърлена към стена. Понякога обаче една частица ще премине директно през еквивалентна бариера в своя микроскопичен свят и ще се появи от другата страна. Това квантово-механично явление се нарича тунелиране.
Тазгодишната Нобелова награда за физика е признание за експерименти, които демонстрират как квантовото тунелиране може да се наблюдава в макроскопичен мащаб, включващ много частици. През 1984 и 1985 г. Джон Кларк, Мишел Деворе и Джон Мартинис провеждат серия от експерименти в Калифорнийския университет в Бъркли. Те изграждат електрическа верига с два свръхпроводника, компоненти, които могат да провеждат ток без никакво електрическо съпротивление. Те ги разделят с тънък слой материал, който изобщо не провежда ток. В този експеримент те показват, че могат да контролират и изследват явление, при което всички заредени частици в свръхпроводника се държат съгласувано, сякаш са една частица, която запълва цялата верига.
А) Когато хвърлите топка към стена, може да сте сигурни, че тя ще отскочи обратно към вас. B) Ще бъдете изключително изненадани, ако топката внезапно се появи от другата страна на стената. В квантовата механика този тип явление се нарича тунелиране и е точно онова явление, което ѝ е дало репутация на странно и неинтуитивно. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Тази система, която се държи като една частица, е затворена в състояние, в което токът тече без никакво напрежение – състояние, от което тя няма достатъчно енергия, за да излезе. В експеримента системата показва квантовия си характер, като използва тунелиране, за да излезе от състоянието с нулево напрежение, генерирайки електрическо напрежение. Лауреатите също така успяват да покажат, че системата е квантована, което означава, че абсорбира или излъчва енергия само на отделни стъпки (порции).
A) Първоначално експериментът изобщо няма напрежение. Сякаш има лост в изключено положение и нещо блокира преместването му във включено. Без ефектите на квантовата механика това състояние би останало непроменено. B) Изведнъж се появява напрежение. Сякаш лостът се е преместил от изключено във включено положение, въпреки бариерата между двете. Това, което се случва в експеримента, се нарича макроскопично квантово тунелиране. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Тунели и преминаване през прегради
Лауреатите все пак разполагат с концепции и експериментални инструменти, разработени в продължение на десетилетия. Заедно с теорията на относителността, квантовата физика е основата на това, което днес се нарича съвременна физика, и изследователите са прекарали последния век в изследване на това, което тя включва.
Способността на отделните частици да тунелират е добре известна. През 1928 г. физикът Джордж Гамов разбира, че тунелирането е причината някои тежки атомни ядра да се разпадат по определен начин. Взаимодействието между силите в ядрото създава бариера около него, задържайки частиците, които съдържа. Въпреки това обаче, малка част от атомното ядро понякога може да се отцепи, да се премести извън бариерата и да излезе – оставяйки след себе си ядро, което се е трансформирало в друг елемент. Без тунелиране този тип ядрен разпад не би могъл да се случи.
Тунелирането е квантово-механичен процес, при който играе роля случайността. Някои видове атомни ядра имат висока, широка бариера, така че е нужно много време, докато парче от ядрото се появи отвъд нея, докато други видове се разпадат по-лесно. Ако разглеждаме само един атом, не можем да предвидим
Физиците знаят от почти век, че тунелирането е необходимо за определен тип ядрен разпад (алфа разпад). Малко парче от ядрото на атома се откъсва и се появява извън него. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Ако разглеждаме само един атом, не можем да предвидим кога ще се случи това, но като наблюдаваме разпадането на голям брой ядра от един и същи тип, можем да измерим очакваното време преди да се случи тунелиране. Най-разпространеният начин за описание на това е чрез концепцията за период на полуразпад, който представлява времето, необходимо на половината ядра в пробата да се разпаднат.
Физиците се питат дали би било възможно да се изследва вид тунелиране, което включва повече от една частица едновременно. Един подход към нови видове експерименти произлиза от феномен, който възниква, когато някои материали станат изключително студени.
В обикновен проводим материал токът тече, защото има електрони, които са свободни да се движат през целия материал. В някои материали отделните електрони, които си проправят път през проводника, могат да се организират, образувайки синхронизиран танц, който тече без никакво съпротивление. Материалът се е превърнал в свръхпроводник и електроните са свързани по двойки. Те се наричат куперови двойки, на името на Леон Купър, който, заедно с Джон Бардийн и Робърт Шрайфер, предоставя подробно описание на това как работят свръхпроводниците (Нобелова награда за физика 1972 г.).
Куперовите двойки се държат съвсем различно от обикновените електрони. Електроните имат голяма степен на цялостност и обичат да стоят на разстояние един от друг – два електрона не могат да бъдат на едно и също място, ако имат едни и същи свойства. Можем да видим това например в атом, където електроните се разделят на различни енергийни нива, наречени обвивки. Когато обаче електроните в свръхпроводника се обединят в двойки, те губят част от своята индивидуалност - докато два отделни електрона винаги са различни, две куперови двойки могат да бъдат абсолютно еднакви. Това означава, че куперовите двойки в свръхпроводника могат да бъдат описани като едно цяло, една квантово-механична система. На езика на квантовата механика те се описват като единична вълнова функция. Тази вълнова функция описва вероятността за наблюдение на системата в дадено състояние и с дадени свойства.
В нормален проводник електроните се блъскат един с друг и с материала.
Когато един материал стане свръхпроводник, електроните се свързват като двойки, куперови двойки, и образуват ток, където няма съпротивление. Пропастта на илюстрацията маркира джозефсоновия преход.
Куперовите двойки могат да се държат така, сякаш са една частица, която запълва цялата електрическа верига. Квантовата механика описва това колективно състояние, използвайки споделена вълнова функция. Свойствата на тази вълнова функция играят водеща роля в експеримента на лауреатите. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Ако два свръхпроводника са свързани заедно с тънка изолационна бариера между тях, това създава джозефсонов преход. Този компонент е кръстен на Брайън Джозефсон, който е извършил квантово-механични изчисления за прехода. Той открива, че възникват интересни явления, когато се разглеждат вълновите функции от всяка страна на прехода (Нобелова награда за физика 1973 г.). Джозефсоновият преход бързо намира области на приложение, включително в прецизни измервания на фундаментални физични константи и магнитни полета.
Конструкцията също така предоставя инструменти за изследване на основите на квантовата физика по нов начин. Един от хората, които правят това, е Антъни Легет (Нобелова награда за физика 2003 г.), чиято теоретична работа върху макроскопичното квантово тунелиране в Джозефсонов преход вдъхновява нови видове експерименти.
Изследователската група започва своята работа
Тези теми идеално съвпадат с изследователските интереси на Джон Кларк. Той е професор в Калифорнийския университет в Бъркли, САЩ, където се мести след завършване на докторантурата си в Университета в Кеймбридж, Великобритания, през 1968 г. В Калифорнийския университет в Бъркли той изгражда своята изследователска група и се специализира в изследването на редица явления, използващи свръхпроводници и Джозефсоновия преход.
Към средата на 80-те години на миналия век Мишел Деворе се присъединява към изследователската група на Джон Кларк като постдокторант, след като получава докторат в Париж. Тази група включва и докторанта Джон Мартинис. Заедно те приемат предизвикателството да демонстрират макроскопично квантово тунелиране. Необходими са огромни грижи и прецизност, за да се скрие експерименталната установка от всички смущения, които биха могли да ѝ повлияят. Те успяват да усъвършенстват и измерят всички свойства на своята електрическа верига, което им позволи да я разберат подробно.
За да измерят квантовите явления, те подават слаб ток към Джозефсоновия преход и измерват напрежението, което е свързано с електрическото съпротивление във веригата. Напрежението върху Джозефсоновия преход първоначално е нула, както се очаква. Това е така, защото вълновата функция на системата е затворена в състояние, което не позволява възникването на напрежение. След това те проучват колко време е необходимо на системата да излезе от това състояние чрез тунелиране, предизвиквайки напрежение. Тъй като квантовата механика включва елемент на случайност, те правят множество измервания и начертават резултатите си като графики, от които могат да отчитат продължителността на състоянието с нулево напрежение. Това е подобно на начина, по който измерванията на полуживотите на атомните ядра се основават на статистика на множество случаи на разпад.
Джон Кларк, Мишел Деворе и Джон Мартинис са конструирали експеримент, използващ свръхпроводяща електрическа верига. Чипът, който съдържа тази верига, е с размер около сантиметър. Преди това са изследвани тунелирането и квантурането на енергията в системи, които имат само няколко частици - тук тези явления се появяват в квантово-механична система с милиарди куперови двойки, които запълват целия свръхпроводник на чипа. По този начин експериментът пренася квантово-механичните ефекти от микроскопичен в макроскопичен мащаб. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Тунелирането демонстрира как куперовите двойки на експерименталната установка, в своя синхронизиран танц, се държат като една гигантска частица. Изследователите получават допълнително потвърждение за това, че системата има квантовани енергийни нива.
Квантовата механика е кръстена на наблюдението, че енергията в микроскопичните процеси се разделя на отделни пакети, кванти. Лауреатите въвеждат микровълни с различна дължина на вълната в състоянието с нулево напрежение. Някои от тях са били абсорбирани и след това системата преминава на по-високо енергийно ниво. Това показва, че състоянието с нулево напрежение има по-кратка продължителност, когато системата съдържа повече енергия – точно това, което квантовата механика предсказва. Микроскопична частица, затворена зад бариера, функционира по същия начин.
Квантова механична система зад бариера може да има различни количества енергия, но може да абсорбира или излъчва само определени количества от тази енергия. Системата е квантована. Тунелирането се случва по-лесно на по-високо енергийно ниво, отколкото на по-ниско, така че статистически система с повече енергия се държи в плен за по-малко време от такава с по-малко енергия. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Практическа и теоретична полза
Този експеримент има последствия за разбирането на квантовата механика. Други видове квантово-механични ефекти, които се демонстрират в макроскопичен мащаб, са съставени от много малки отделни части и техните отделни квантови свойства. След това микроскопичните компоненти се комбинират, за да причинят макроскопични явления като лазери, свръхпроводници и свръхфлуиди. Този експеримент обаче вместо това създава макроскопичен ефект – измеримо напрежение – от състояние, което само по себе си е макроскопично, под формата на обща вълнова функция за огромен брой частици.
Теоретици като Антъни Легет сравняват макроскопичната квантова система на лауреатите с известния мисловен експеримент на Ервин Шрьодингер, представящ котка в кутия, където котката би била едновременно жива и мъртва, ако не погледнем вътре. (Ервин Шрьодингер получава Нобелова награда за физика през 1933 г.) Целта на неговия мисловен експеримент е да покаже абсурдността на тази ситуация, защото специалните свойства на квантовата механика често се заличават в макроскопичен мащаб. Квантовите свойства на цяла котка не могат да бъдат демонстрирани в лабораторен експеримент.
Легет обаче твърди, че серията от експерименти, проведени от Джон Кларк, Мишел Деворе и Джон Мартинис, показват, че съществуват явления, които включват огромен брой частици, които заедно се държат точно както предсказва квантовата механика. Макроскопичната система, която се състои от много куперови двойки, все още е с много порядъци по-малка от котенце – но тъй като експериментът измерва квантово-механичните свойства, които се отнасят за системата като цяло, за квантовия физик той е доста подобен на въображаемата котка на Шрьодингер.
Този тип макроскопично квантово състояние предлага нов потенциал за експерименти, използващи явленията, които управляват микроскопичния свят на частиците. Може да се разглежда като форма на изкуствен атом в голям мащаб – атом с кабели и контакти, които могат да бъдат свързани в нови тестови установки или използвани в нова квантова технология. Например изкуствените атоми се използват за симулиране на други квантови системи и за подпомагане на разбирането им.
Друг пример е експериментът с квантов компютър, извършен впоследствие от Мартинис, в който той използва точно квантуване на енергията, което той и другите двама лауреати са демонстрирали. Той използва верига с квантовани състояния като информационни единици – квантов бит. Най-ниското енергийно състояние и първата стъпка нагоре функционират съответно като нула и единица. Свръхпроводящите вериги са една от техниките, които се изследват в опитите за изграждане на бъдещ квантов компютър.
Тазгодишните лауреати са допринесли както за практическата полза във физическите лаборатории, така и за предоставянето на нова информация за теоретичното разбиране на нашия физически свят.
Източник: Quantum properties on a human scale, Nobel Prize
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Земната ябълка: стара култура за новите климатични времена
dolivo
Земята потъмнява. Какво означава тази тревожна климатична тенденция за бъдещето?
Nikor
На 30 септември 1928 е открит пеницилинът
Прост Човек
Ново обяснение за гигантските експлодиращи кратери в Сибир