Атом с клеммами: как нарушение здравого смысла принесло Нобелевскую премию

Нобелевской премии по физике 2025 года удостоены Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис. Все три физика работают в США. Каждый из них получит треть призовой суммы «за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи». Ученые продемонстрировали, что дверь в удивительный мир квантовой механики ближе, чем кажется.

Совершить невозможное

Можете ли вы перепрыгнуть 16-этажный дом? Здравый смысл и классическая физика говорят, что нет. Неважно, сколько попыток вы сделаете — эта планка просто не по человеческим силам. 

Но в мире элементарных частиц и атомов все иначе. Они живут по законам квантовой физики, очень отличающимся от правил привычного мира. Будь вы частицей, физика говорила бы: если прыгать достаточно долго, рано или поздно вы перепрыгнете даже Эверест. И не потому, что накачаете мускулы. Дело в том, что в квантовом мире положение частицы не предопределено. Есть лишь вероятность обнаружить ее в той или иной точке. Вероятность обнаружить вас после прыжка по ту сторону 16-этажки не равна нулю. Этот противоречащий здравому смыслу эффект называется туннельным: квантовая механика как будто прокладывает туннель через непреодолимое препятствие.

Туннельный эффект — не выдумка теоретиков. Именно благодаря ему на Солнце идут термоядерные реакции. Цепочка реакций начинается с того, что два протона сливаются в ядро дейтерия. Но протоны одноименно заряжены, а потому отталкиваются. С точки зрения классической физики даже в раскаленном центре Солнца у протонов недостаточно энергии, чтобы преодолеть это отталкивание, как у вас недостаточно сил для прыжка через многоэтажку. Однако благодаря туннельному эффекту небольшой доле протонов все-таки удается преодолеть этот барьер. Только это позволяет Солнцу светить, а нам — существовать.

Значит, у вас все-таки есть шанс перепрыгнуть высотку? Скорее нет, чем да. Вы состоите из невообразимого числа частиц: даже в стакане воды их больше, чем стаканов воды в Мировом океане. Хотя каждая отдельная частица живет по квантовым законам, для столь огромного их скопления квантовые эффекты сходят на нет. Именно поэтому странности квантового мира были открыты только в XX веке, когда появилась возможность экспериментировать с небольшими потоками частиц, вплоть до отдельных фотонов.

Однако вопрос, как и где квантовая физика переходит в классическую, весьма сложен. При определенных условиях даже тела, видимые невооруженным глазом, могут подчиняться квантовым законам. Лауреаты этого года продемонстрировали туннельный эффект в электрической цепи размером в несколько сантиметров, то есть в макроскопических масштабах.

Потеря сопротивления

Один из эффектов, который невозможно объяснить без квантовой физики — сверхпроводимость. Если охладить некоторые материалы до очень низких температур (скажем, алюминий — до минус 272 оC), электроны в них начинают вести себя странно. Точно описать это состояние можно только на языке высшей математики. Но если обойтись метафорой, весь коллектив электронов в сверхпроводнике можно представлять себе как одну-единственную частицу. Одно из важных следствий такого «полного единения» — отсутствие электрического сопротивления. Именно за него сверхпроводники и получили свое название. 

В 1962 году Брайан Джозефсон, будучи еще студентом, теоретически предсказал любопытное явление. Разделим два слоя сверхпроводника тончайшим слоем изолятора всего в несколько атомов толщиной. Электроны будут преодолевать этот слой без сопротивления. Другими словами, через слой изолятора потечет ток, даже если электрическое напряжение равно нулю. Уже в следующем году эксперименты подтвердили эту гипотезу, и в 1973-м молодой физик получил за свое открытие Нобелевскую премию. Сегодня эффект Джозефсона применяется для создания чувствительных приборов.

В 1980-х многие научные группы пытались продемонстрировать макроскопический туннельный эффект, опираясь на схему Джозефсона. Электроны, путешествующие через барьер и обратно в отсутствие напряжения, можно рассматривать как единую макроскопическую «частицу». Согласно теории, туннельный эффект рано или поздно изменит состояние этой «частицы», и в цепи появится электрическое напряжение. Это можно сравнить с рубильником, который невозможно переключить, потому что между двумя его положениями — твердая перегородка. Но туннельный эффект должен все-таки переключить его.

Трудность состояла в том, что «переключение рубильника» могли вызвать случайные факторы, к примеру, посторонний источник тепла. Требовалась тщательная изоляция установки от всевозможных помех и детальный учет всех факторов. Кларк, Деворе и Мартинис, работая в одной группе, добились успеха в этом непростом деле.

Физики продемонстрировали еще один однозначный признак системы, живущей по квантовым законам — дискретность, или квантование, энергии. Классическая система может поглотить любое количество энергии, которое ее не разрушит. Литр воды можно с одинаковым успехом нагреть и на 1 градус, и на 7,5678 градусов. Точно так же плавно этот литр воды остывает. А вот атом поглощает и испускает лишь строго определенные порции энергии. Сверхпроводящая цепь Кларка, Деворе и Мартиниса оказалась столь же разборчива в размере порций. Это и есть квантование энергии, упомянутое в формулировке Нобелевского комитета.

Подключить атом к розетке

Лауреаты не просто продемонстрировали интересный физический эффект. Макроскопический объект, живущий по квантовым законам, открывает много возможностей.

Одна из них — квантовые компьютеры. Уже есть экспериментальные модели, в которых сверхпроводящие цепи используются в качестве кубитов (квантовых битов). Другая возможность — дальнейшее изучение законов квантовой физики и моделирование микроскопических объектов с помощью макроскопических. С атомами и частицами очень сложно работать именно потому, что они невообразимо малы. Лауреаты продемонстрировали «атом с клеммами», изучать который несопоставимо легче.