Nobelova nagrada za fiziku 2025. godine – za kvantno tuneliranje i kvantizirane energetske nivoe, od subatomskog do makroskopskog svijeta

Ove godine, Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je trojici istraživača koji su dokazali da i „veliki“, vidljivi sistemi mogu slijediti zakone kvantne mehanike – svijet obično rezervisan za atome i subatomske čestice.

Laureati John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis uspjeli su u osamdesetim godinama 20. vijeka (1985.) napraviti jedno specifično električno kolo u kojem su pokazali dvije ključne pojave kvantne fizike: makroskopsko kvantno tuneliranje i kvantizirane energetske nivoe – i to u sistemu dovoljno velikom da ga možete držati u ruci, poput čipa.

Šta su zapravo dokazali?

U klasičnom svijetu, ako lopta naiđe na zid, odbit će se – ne može kroz njega. U kvantnom svijetu, čestice to mogu. One „prođu“ kroz prepreku zahvaljujući fenomenu koji se zove kvantno tuneliranje.
Međutim, što je sistem veći – što više čestica sadrži – to je teže uočiti takvo ponašanje. Upravo zato je eksperiment ove trojice fizičara bio toliko revolucionaran: pokazali su da kvantni efekti ne nestaju čak ni u makroskopskim sistemima.

Superprovodnici i „kvantni most“

Njihovo eksperimentalno kolo bilo je sastavljeno od superprovodnika – materijala koji provode struju bez otpora. Između dva dijela superprovodnika umetnuli su tanki sloj materijala koji ne provodi struju. Taj spoj naziva se Josephsonov spoj.

Josephsonov spoj je sićušni most između dva superprovodnika, koji omogućava da kvantni efekti budu vidljivi u električnim kolima.

Tu postoje dva superprovodnika – materijala koji mogu provoditi električnu struju bez otpora. Između njih se nalazi veoma tanak sloj materijala koji ne provodi struju (izolator). Ipak, zahvaljujući zakonima kvantne mehanike, elektroni mogu „proći” kroz taj izolator tuneliranjem, iako bi to po klasičnoj fizici bilo nemoguće.

Taj neobični prelaz zove se Josephsonov efekt, a sam most između dva superprovodnika – Josephsonov spoj.

Kada su ovogodišnji laureati kroz Josephsonov spoj propustili električnu struju, sistem se ponašao kao da se svi elektroni kreću kao jedna jedinstvena čestica koja „pulsira“ kroz cijeli krug.

U početku, struja je tekla bez napona, „zarobljena“ u tom stanju. No, u jednom trenutku, sistem je pokazao svoju kvantnu prirodu – „prošao“ je kroz zamišljenu barijeru tuneliranjem, prelazeći u novo stanje koje su naučnici mogli izmjeriti pojavom napona.

Tako su Clarke, Devoret i Martinis dokazali da se kvantna svojstva, poput diskretnih energetskih nivoa, mogu jasno posmatrati i kontrolisati u elektronskim kolima koja nisu mikroskopska.

Most između mikrosvijeta i tehnologije budućnosti

„Predivno je vidjeti kako kvantna mehanika, stara više od jednog vijeka, i dalje donosi iznenađenja i nove mogućnosti“, rekao je Olle Eriksson, predsjednik Nobelovog komiteta za fiziku.

Kvantna mehanika nije samo teorija – ona je temelj svih današnjih digitalnih tehnologija. Tranzistori u računarima, laseri i mobilne komunikacije – sve se oslanja na principe kvantne fizike.

Ali ono što su ovogodišnji laureati pokazali otvara vrata novoj generaciji kvantne tehnologije: kvantnim računarima, kvantnoj kriptografiji i ultraosjetljivim kvantnim senzorima. Kvantni kompjuteri koji su upotrebljivi na široj razini još ne postoje, ali se razvijaju.

Nobelova nagrada za fiziku 2025: praktični značaj

Drugim riječima, zahvaljujući eksperimentima koji su pokazali da i „veliki“ sistemi mogu biti kvantni, napravljen je važan korak ka tehnologijama koje bi mogle promijeniti svijet jednako kao što su to učinili prvi tranzistori prije 70 godina. Naši mobiteli i drugi uređaji se baziraju na kvantnim fenomenima. Tranzistori (osnova svakog mikročipa) rade jer elektroni u materijalu mogu kvantno tunelirati kroz vrlo tanke barijere. Laseri (koji omogućavaju komunikaciju, skenere i CD čitače) funkcionišu zahvaljujući kvantnim prijelazima između energetskih nivoa elektrona. Čak i GPS i precizni satovi rade na osnovu kvantnih svojstava atoma.

Ono što su ovogodišnji Nobelovci istraživali nije osnova današnjih telefona, već osnova budućih kvantnih tehnologija.

John Clarke (rođen 1942.) je britansko-američki fizičar i profesor eksperimentalne fizike na Univerzitetu Kalifornija u Berkeleyju. Michel H. Devoret (1953.) je francuski fizičar, trenutno zaposlen na Yale univerzitetu u SAD-u. John M. Martinis (1958.) je američki fizičar i profesor na Univerzitetu Kalifornija Santa Barbara.

The post Nobelova nagrada za fiziku 2025. godine – za kvantno tuneliranje i kvantizirane energetske nivoe, od subatomskog do makroskopskog svijeta appeared first on Nauka govori.