جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵ به کاشفان تونل‌زنی کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی اهدا شد

جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۵ به سه پژوهشگری اعطا شده است که یک اثر عجیب مربوط به دنیای مکانیک کوانتومی را در مقیاسی کاملاً تازه و البته بزرگ کشف کردند.

«جان کلارک» از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، «میشل دِوُره» از دانشگاه ییل و دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا و «جان مارتینیس» از دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا، «به‌پاس کشف فرآیند تونل‌زنی کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی و کوانتیزه‌شدن انرژی در مدار الکتریکی»، جایزه معتبر نوبل در شاخه فیزیک را دریافت کردند.

آکادمی سلطنتی علوم سوئد، برندگان را روز سه‌شنبه، ۱۰ اکتبر در مراسمی در استکهلم اعلام کرد. این ۱۱۹مین جایزه نوبل فیزیک است و شامل پاداشی نقدی به ارزش ۱۱ میلیون کرون سوئد (حدود ۱٫۲ میلیون دلار) می‌شود.

کلارک در تماس تلفنی هنگام کنفرانس خبری گفت:

خلاصه بگویم، این بزرگ‌ترین شگفتی زندگی‌ام بود. به‌طور طبیعی کاملاً مبهوت‌ام؛ هرگز حتی به ذهنم خطور نکرده بود که چنین چیزی می‌تواند پایه‌ی یک جایزه نوبل باشد.

- جان کلارک، برنده نوبل فیزیک ۲۰۲۵

کلارک در ادامه توضیح داد که کشف او (که زیربنای ریزتراشه‌های پیشرفته در بسیاری از فناوری‌های امروزی از جمله تلفن‌های هوشمند است) اکنون برای توسعه‌ی بیشتر کامپیوترهای کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

به‌نقل از بیانیه‌ی آکادمی سلطنتی علوم سوئد، کلارک، دوره و مارتینیس، با انجام آزمایش‌های پیشگامانه موفق شدند تونل‌زنی کوانتومی و سطوح انرژی کوانتیده را در مدار الکتریکیِ «به‌اندازه‌ی کافی بزرگ که در دست جا می‌گیرد» نشان دهند.

تونل‌زنی کوانتومی به ذرات امکان می‌دهد از موانعی عبور کنند که در نگاه فیزیک کلاسیک، غیرقابل عبور به نظر می‌رسند. این پدیده بدین دلیل ممکن است که در فیزیک کوانتومی، ذرات هم‌زمان خاصیت موجی و ذره‌ای دارند؛ موج، در واقع بازتاب احتمال حضور ذره در یک مکان مشخص است.

همان‌طور که موج دریا هنگام برخورد به مانعی سنگی بخشی از انرژی خود را به آن‌سوی مانع منتقل می‌کند، ذرات موجود به‌شکل موج نیز احتمال اندکی برای حضور در آن‌سوی مانع دارند. همین ویژگی است که به الکترون‌ها امکان می‌دهد بین لایه‌های مواد که طبق قوانین فیزیک کلاسیک نفوذناپذیرند، جهش کنند.

پیش از کشف بزرگ پژوهشگران، تونل‌زنی کوانتومی تنها در ذرات منفرد مشاهده شده بود. فیزیکدانان خیلی زود به این فکر افتادند که آیا ممکن است گروهی از ذرات به‌طور هم‌زمان تونل بزنند یا خیر. یکی از راه‌های انجام این کار، سردکردن شدید مواد و تبدیل آن‌ها به ابررسانا از طریق واداشتن الکترون‌ها به اتصال به یکدیگر و تشکیل چیزی بود که با عنوان «جفت‌های کوپر» شناخته می‌شود.

جفت‌های کوپر از قوانین کوانتومی متفاوتی نسبت به الکترون‌های منفرد پیروی می‌کنند. آن‌ها به‌جای چیدمان در پوسته‌های انرژی مجزا، مانند ذرات نور (فوتون‌ها) رفتار می‌کنند؛ بدین شکل که تعداد نامتناهی از آن‌ها می‌تواند هم‌زمان در یک نقطه از فضا وجود داشته باشد. اگر در سرتاسر یک ماده به‌اندازه کافی جفت کوپر تشکیل شود، آن ماده به ابرسیالی تبدیل می‌شود که می‌تواند جریان الکتریکی را بدون هیچ‌گونه اتلاف انرژی ناشی از مقاومت، از خود عبور دهد.

در ابتدا ولتاژ مدار صفر بود که نشان می‌داد هیچ جریانی از مانع عبور نمی‌کند. اما با تکرار آزمایش در دفعات متعدد، آن‌ها مشاهده کردند که در لحظات مختلف، ولتاژ در مدار ظاهر می‌شود؛ نشانه‌ای از اینکه الکترون‌ها واقعاً درحال تونل‌زنی یا به عبارت بهتر، عبور از مانع هستند و به‌صورت ذره‌ای بزرگ‌مقیاس عمل می‌کنند.

پژوهشگران سپس با تاباندن امواج مایکروویو و بررسی جذب آن توسط الکترون‌ها نشان دادند که با وجود ماهیت جمعی و ماکروسکوپی سیستم، انرژی جفت‌های کوپر همچنان به‌صورت گسسته و کوانتیده باقی مانده است.

کشف پژوهشگران کاربردهای متعددی در فیزیک و فناوری‌های نوین داشته است. این سامانه‌ی جمعی به‌عنوان «اتم مصنوعی» شناخته می‌شود که مبنای بسیاری از آزمایش‌ها و فناوری‌های کوانتومی مدرن قرار گرفته است.

اوله اریکسون، رئیس کمیته نوبل فیزیک، در بیانیه‌ای گفت: «شگفت‌انگیز است که می‌توانیم یک قرن پس از پایه‌گذاری مکانیک کوانتومی، همچنان شاهد شگفتی‌های تازه‌ای از آن باشیم. مکانیک کوانتوم نه‌تنها شگفت‌انگیز است، بلکه به‌طرز باورنکردنی کاربردی نیز است؛ زیرا زیربنای تمام فناوری‌های دیجیتال امروزی محسوب می‌شود.»