جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵ به سه پژوهشگر اهدا شد که توانستند اثرهای کوانتومی را در مقیاس ماکروسکوپی، یعنی اندازهای که بتوان آن را در دست گرفت، کشف کنند.
جان کلارک از دانشگاه کالیفرنیا برکلی، میشل اچ. دِورِه از دانشگاه ییل و دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا و جان ام. مارتینیس از دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا، این جایزه معتبر را «برای کشف تونلزنی کوانتومی ماکروسکوپی و کوانتش انرژی در مدارهای الکتریکی» دریافت کردند.
اعلام برندگان توسط آکادمی سلطنتی علوم سوئد در مراسمی در استکهلم، سوئد، انجام شد. این ۱۱۹مین جایزه نوبل فیزیک است و همراه با ۱۱ میلیون کرون سوئد (حدود ۱.۲ میلیون دلار) اهدا میشود.
کشف عجیب کوانتومی
کلارک در مصاحبهای گفت: «صادقانه بگویم، این بزرگترین شگفتی زندگی من بود. هیچ وقت به ذهنم خطور نمیکرد که این کشف میتواند مبنای یک جایزه نوبل باشد.»
این کشف، که پایه تکنولوژیهای پیشرفته در بسیاری از دستگاههای مدرن از جمله میکروچیپهای گوشیهای هوشمند است، نقش مهمی در توسعه کامپیوترهای کوانتومی دارد.
تونلزنی کوانتومی در مقیاس دستگرفتنی
این پژوهشگران توانستند در آزمایشهای خود تونلزنی کوانتومی و سطوح انرژی کوانتششده را در یک مدار الکتریکی که «به اندازه کافی بزرگ بود که در دست نگه داشته شود» نشان دهند.
تونلزنی کوانتومی به ذرات اجازه میدهد از موانعی عبور کنند که به نظر غیرقابل عبور میآیند. زیرا ذرات در فیزیک کوانتومی همزمان به شکل موج و ذره وجود دارند؛ این امواج، احتمال حضور ذره در یک مکان خاص را نشان میدهند.
مثل موجی که به دیواره موجشکن دریا برخورد میکند و موج کوچکی را به سمت دیگر منتقل میکند، ذراتی که به شکل موج وجود دارند، احتمالی برای حضور در طرف دیگر مانع دارند. این ویژگی اجازه میدهد الکترونها بین لایههای ماده حرکت کنند، حتی اگر قوانین فیزیک کلاسیک مانع آن باشند.
استفاده از جفتهای کوپر و ابررسانایی
پیش از این کشف، تونلزنی کوانتومی تنها در ذرات منفرد مشاهده شده بود. اما پژوهشگران به این فکر افتادند که آیا چندین ذره میتوانند همزمان تونل کنند؟
راهی که آنها انتخاب کردند، سرد کردن مواد تا تبدیل به ابررسانا و ایجاد جفتهای الکترونی معروف به Cooper pairs بود. این جفتها قوانین کوانتومی متفاوتی دارند و رفتار آنها شبیه ذرات نور یا فوتونها است. اگر تعداد کافی از این جفتها ایجاد شود، ماده به ابرسیال تبدیل میشود و بدون از دست دادن انرژی جریان پیدا میکند.
ایجاد اتصال جوزفسون و آزمایشها
برای انجام آزمایش، پژوهشگران دو ابررسانا را بین یک مانع نازک عایق قرار دادند و یک مدار آزمایشی به نام Josephson junction ساختند. جریان ضعیفی به مدار وارد شد و با تکرار آزمایشها مشاهده شد که الکترونها تونل میکنند و رفتار یک ذره ماکروسکوپی را دارند.
استفاده از مایکروویو برای تحریک الکترونها نشان داد که جفتهای Cooper حتی در حالت ماکروسکوپی دارای سطوح انرژی کوانتششده هستند.
اهمیت کشف
این کشف کاربردهای عملی متعددی در فیزیک و فناوریهای کوانتومی داشته است. سیستم جمعی حاصل به نام اتم مصنوعی شناخته میشود و پایه بسیاری از تکنولوژیهای کوانتومی قرار گرفته است.
اوله اریکسون، رئیس کمیته نوبل فیزیک، گفت: «این شگفتانگیز است که مکانیک کوانتومی که بیش از یک قرن پیش کشف شده، همچنان شگفتیهای جدیدی ارائه میدهد و پایه تمام فناوریهای دیجیتال است.»