Nobel za Kota Schrödingera!

Zeszłoroczna Nagroda Nobla z Fizyki została przyznana AI, w tym roku komitet podjął o wiele lepszą decyzję: za osiągnięcie, które pokazuje nam Kota Schrödingera w całej okazałości!

Został on przyznany za „Odkrycie makroskopowego kwantowego tunelowania mechanicznego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym”, a otrzymali go John Clarke, Michel H. Devoret oraz John M. Martinis. Przeprowadzili oni 40 lat temu w kalifornijskim Berkeley serię niezwykle ciekawych eksperymentów, które uwzględniały zjawiska znane już wcześniej; w ich wyjaśnieniu mieli udział George Gamow i Piotr Kapica.

Efekt tunelowy był znany fizykom już wcześniej, a jego eleganckie wyjaśnienie zaproponował Gamow – więcej w tekście Jak wydostać się ze studni (potencjału)?. Na jego ślad wpadliśmy, obserwując rozpady ciężkich jąder w procesie szerzej znanym jako rozpad alfa. Polega on na emisji przez jądro cząstki składającej się z dwóch protonów i dwóch neutronów, a więc tożsamej z jądrem helu ⁴He. Głównym problemem, jaki mieli ówcześni naukowcy z tym procesem, było to, że absolutnie nie miał prawa zachodzić. Cząstka alfa emitowana z jądra miała energię niższą niż niezbędna, aby móc się uwolnić z pola jego oddziaływania. Można to sobie wyobrazić jako sytuację, w której piłka rzucona w ścianę, zamiast odbić się od niej, z jakiegoś powodu znajdzie się po drugiej stronie. Jak okazało się w toku dalszych badań, efekt takiego tunelowania przez barierę potencjału nie dotyczy jedynie rozpadu alfa, ale dotyczy każdej cząstki i każdej bariery rozpatrywanej w ujęciu kwantowym.

Dla Nobla wcześniej wymienionych naukowców niebagatelne znaczenie miało również odkrycie Piotra Kapicy, o czym więcej w tekście O lewitacji i bramkach. Kapica schładzał hel ⁴He do absurdalnie niskich temperatur i zauważył, iż w tych warunkach ciecz straciła lepkość i zaczyna uciekać po ściankach naczynia. Zjawiskiem podobnym do nadciekłości jest nadprzewodnictwo. Jeśli coś przewodzi prąd, to oznacza to, że są tam ładunki elektryczne poruszające się w obwodzie elektrycznym; ładunkami są najczęściej elektrony. Problem z przewodnikami polega na tym, że stawiają one opór przepływającym ładunkom, co wiąże się ze stratą energii, która zamiast wykonać pożądaną pracę, ulega przetworzeniu na energię cieplną. W przypadku nadprzewodników z jakiegoś powodu te straty nie występują, a sam materiał zachowuje się tak, jakby nie stawiał oporu przepływającym przez niego elektronom. Tak jak nadciekła ciecz zachowuje się, jakby w całej objętości była jednym atomem, tak w przypadku nadprzewodnika mamy sytuację, w której zachowuje się on tak, jakby cały obwód wypełniał jeden ładunek.

Nadprzewodniki istnieją, podobnie jak rozpad alfa, i tak samo jak on według naszych wcześniejszych teorii nie powinny działać. Takie zachowanie elementów układu sugeruje, że jego składniki współdzielą ten sam poziom energetyczny, a przecież w przypadku fermionów, czyli cząstek o połówkowej wartości spinu, jest to niemożliwe. Tak mogą zachowywać się jedynie cząstki znane jako bozony, czyli te mające spiny o całkowitych wartościach. Spin elektronu wynosi 1/2, a więc elektrony, jako fermiony, nie powinny się tak zachowywać, Jednakże, jak wspomniałem, nadprzewodniki istnieją, a więc musi być coś, co za tym stoi. Wyjaśnienie znalazł w 1956 Leon Cooper, który zrozumiał, że tym, co przenosi prąd w nadprzewodniku jest nie jeden elektron, ale dwa!

Jego wyjaśnienie jest naprawdę dobre w swojej prostocie: przewodnik można sobie wyobrazić jako sieć krystaliczną składającą się z jonów, w której poruszają się elektrony. W normalnym przewodniku elektrony mają wysokie prawdopodobieństwo zderzenia się z elementami sieci i rozpraszania energii, co obserwujemy np. jako świecenie żarówki. Schładzanie przewodnika do bardzo niskich temperatur zmniejsza prawdopodobieństwo zderzenia się elektronu z jonem. Taki swobodny elektron swoim ładunkiem zaburza lokalnie równowagę energetyczną jonu, wychylając go z miejsca w sieci, co zmusza sąsiadujące do odpowiedniego wychylenia – i tak dalej. Jeśli przypomina wam to fale rozchodzące się po powierzchni wody, gdy wrzucać do niej kamyki, to jest to dobry obraz, bo takie zaburzenie w sieci krystalicznej nadprzewodnika również ma cechę fali. Może ona się rozchodzić aż do wygaszenia lub do napotkania innej, z którą może się skorelować. Źródłem tego zaburzenia jest elektron, co oznacza korelację dwóch elektronów o przeciwnych spinach, które nie biorą udziału w dalszym rozpraszaniu energii. Taką parę elektronów w nadprzewodniku nazywamy od nazwiska odkrywcy parą Coopera.

Jak łączą się wspomniane pary Coopera z efektem tunelowym? Ciekawe zjawisko obserwujemy, gdy zetknąć ze sobą dwa nadprzewodniki oddzielone warstwą izolatora czy choćby warstwą materiału, który nie ma właściwości nadprzewodzących. Tunelowanie par przez warstwę izolatora znamy jako tunelowanie Josephsona. I właśnie ono stało się kluczowe dla eksperymentu przeprowadzonego przez tegorocznych noblistów w 1980 roku. Zbudowali oni układ, w którym prąd (a więc ładunki) zaczynają przepływać pomimo początkowego braku napięcia! Układ niemający dość energii, aby uciec ze stanu zerowego napięcia do takiego, w którym jest ono generowane, co brzmi na tyle absurdalnie, że ewidentnie musi być związane z mechaniką kwantową. Głównym elementem tego układu był centymetrowej długości krzemowy chip zawierający w sobie węzeł Josephsona, czyli układ nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik, do którego wprowadzono słaby prąd. Początkowe napięcie prądu przepływającego przez węzeł, jak łatwo się domyślić, wynosiło zero: skoro układ znajdował się w stanie uniemożliwiającym przepływ ładunku, to ciężko oczekiwać innego wyniku. Po pewnym jednak czasie w układzie pojawiło się napięcie wskazujące na to, że układ przetunelował z jednego stanu do drugiego. O ile obserwowaliśmy wcześniej takie zjawiska dla układów zawierających parę Coopera czy pojedyncze cząstki, o tyle nigdy nie obserwowaliśmy takiego tunelowania w postaci mierzalnego napięcia wskazującego na tunelowanie nie jednej pary, ale milionów. O ile w przypadku nadprzewodnictwa czy nadciekłości obserwujemy w skali makroskopowej efekty stanów mikroskopowych, to nigdy nie udało się nam obserwować efektów kwantowych w przypadku układu ewidentnie makroskopowego (chip użyty w tym przypadku miał około centymetra!)

W czasie eksperymentów badacze zauważyli coś jeszcze: gdy do stanu o zerowym napięciu wprowadzano mikrofale o różnych długościach, niektóre zostały pochłonięte, a system przeszedł do stanu o wyższej energii, zupełnie tak samo jak elektrony pochłaniające fotony o określonych długościach fali, a więc określonych energiach. Układ stworzony przez badaczy zachowywał się dokładnie tak samo jak elektron, który, pochłaniając foton, znajduje się w stanie wzbudzonym tym krócej, im wyższa jest jego energia. Tu, analogicznie, układ pozostawał w stanie o zerowym napięciu tym krócej, im więcej energii było w nim zawarte.

Kot Schrödingera do tej pory pozostawał wyłącznie w sferze eksperymentów myślowych, nie dysponowaliśmy żadnym eksperymentem, który pokazywałby „kota” z jego kwantowymi właściwościami w skali makroskopowej. I pewnie chcielibyśmy zapytać, czemu odkrywcy musieli czekać 40 lat na uhonorowanie swojego odkrycia i czy ma ono jakieś zastosowanie praktyczne. Cóż, młyny noblowskie mielą wyjątkowo powoli, a sama istota nauki wymaga, aby każde odkrycie wielokrotnie sprawdzić, niezależnie zweryfikować, wykluczyć wszystkie inne wyjaśnienia. Jeśli chodzi o drugą część pytania, nie wiem, ale myślę, że ktoś na pewno znajdzie zastosowanie, tak jak pewni ludzie znaleźli zastosowanie dla odkrytego przez Einsteina efektu fotoelektrycznego, za co on otrzymał swojego Nobla. Nie sądzę, aby Einstein podejrzewał, że będziemy ten efekt powszechnie wykorzystywać w laserach i nie tylko. Odkrycie dzisiejszych noblistów być może znajdzie zastosowanie w chipach, które znajdą się w kolejnej generacji komputerów kwantowych; może być również zastosowane w urządzeniach, które je upowszechnią, tak jak tranzystory sprawiły, iż zwykłe komputery stały się codziennością.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.

Autor

Lucas Bergowsky

Chemik zafascynowany fizyką kwantową.
Użytkownik Twittera (@Lucas_z_Escobar) o nietypowym poczuciu humoru. Fan gier komputerowych i książek.
BlueSky: @lucas-z-escobar.bsky.social‬

Ostatnie wpisy

Archiwum autora

• fizyka kwantowa7 października 2025Nobel za Kota Schrödingera!
• chemia26 września 2025Co zaszło 8 Stycznia 1945 w Michigan?
• fizyka kwantowa13 sierpnia 2025Jeden poszedł w prawo, drugi w lewo, a trzeci za nimi!
• ciekawostki27 czerwca 2025Piąta siła – czyli co piszą gazety!