Атом на ладони
Как электричество в проводах может вести себя по законам квантового мира
Нобелевскую премию по физике 2025 года присудили Джону Кларку, Мишелю Деворе и Джону Мартинису из США. Каждый лауреат получит треть премиальной суммы «за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи».
Фото: Noah Berger / AP
Фото: Mark J. Terrill / AP
Фото: Damian Dovarganes / AP
Взлет со дна
Объясним, что такое туннелирование. Представьте себе котлован глубиной 50 метров. Вы стоите на дне и пытаетесь выбросить на поверхность кирпич. Здравый смысл говорит, что у вас не хватит на это сил.
Такой же ответ дает и классическая, то есть неквантовая, физика. Тело, поднятое над землей, имеет потенциальную энергию, пропорциональную высоте. Именно поэтому не стоит стоять под подвешенным грузом: если подвес оборвется, потенциальная энергия груза перейдет в энергию движения, и лучше не оказываться на его пути. При броске вверх ситуация обратная: энергия движения постепенно переходит в потенциальную. Если запаса энергии не хватит на 50 метров, кирпич упадет обратно, так и поднявшись над краем ямы. Физики так и говорят: кирпич находится в потенциальной яме. Глубину этой ямы они измеряют не в метрах, а в джоулях — единицах энергии. Чтобы выбросить кирпич, ему нужно сообщить энергию, равную как минимум глубине потенциальной ямы.
Теперь возьмем вместо кирпича электрон. Влияние гравитации на него ничтожно из-за малой массы, но потенциальную яму можно создать, например, с помощью электрического притяжения. Будет ли электрон на дне потенциальной ямы вести себя как кирпич? Как ни удивительно, нет. Поведением элементарных частиц управляют квантовые законы. Они гласят, что даже при недостаточной энергии у электрона есть шансы покинуть яму. Дело в том, что в квантовой механике положение частицы не предопределено. Есть лишь вероятность обнаружить ее в той или иной точке пространства. Правда, и в квантовом мире ресурсы имеют значение. Вероятность выбраться из ямы очень быстро убывает с увеличением глубины ямы и уменьшением переданной электрону энергии. Но эта вероятность никогда не равна нулю. Эта странная особенность квантовых законов называется туннельным эффектом, а «побег» из потенциальной ямы — туннелированием.
Туннельный эффект известен физикам очень давно и хорошо. Благодаря ему работают туннельные диоды в электронике и сканирующие туннельные микроскопы в лабораториях. Благодаря ему происходит альфа-распад атомных ядер в радиоизотопных генераторах, питающих космические зонды и уединенные маяки: альфа-частица покидает ядро, хотя и не имеет достаточной энергии. Даже термоядерные реакции на Солнце — а значит, и жизнь на Земле — были бы невозможны без туннельного эффекта. С точки зрения классической физики, энергия протонов на Солнце недостаточна, чтобы они преодолевали электрическое отталкивание и сливались друг с другом.
Если туннельный эффект работает для электронов и атомных ядер, почему он не работает для кирпича, состоящего из этих самых электронов и атомных ядер? Вот самое простое объяснение. В кирпиче больше частиц, чем стаканов воды в Мировом океане. Вероятность того, что все эти частицы одновременно туннелируют из ямы глубиной 50 метров, отличается от нуля лишь формально. В реальности такого никогда не произойдет.
Получается, туннельный эффект вообще невозможно продемонстрировать для макроскопических, видимых невооруженным глазом тел? Этот вывод вроде бы согласуется с опытом. Никто никогда не видел, чтобы кирпич воспарял со дна ямы. Туннельный эффект, как и прочие квантовые законы, был открыт, только когда физики получили возможность изучать вещество на уровне отдельных атомов и частиц.
Однако нынешние лауреаты продемонстрировали этот эффект в электрической цепи, которую можно буквально потрогать руками. Ее ключевая часть, где расположен переход Джозефсона, имела размер около сантиметра. Причем туннелировали не отдельные электроны в цепи, а вся система в целом. Это весьма похоже на кирпич, взлетающий из котлована, хотя и не так зрелищно.
Непротивление материала
Физики ставили свои эксперименты над сверхпроводниками. Объясним, что это такое. Некоторые материалы полностью теряют электрическое сопротивление при достаточно низких температурах. Например, для олова это минус 269°C, для свинца — минус 266°C. Такое состояние называется сверхпроводящим. Ток по сверхпроводнику может течь даже при нулевом напряжении.
В 1962 году физик Брайан Джозефсон теоретически предсказал интересный эффект. Разделим два слоя сверхпроводника тончайшей — несколько атомов — прослойкой изолятора. Пустим по цепи небольшой постоянный ток в отсутствие напряжения. Ток будет просачиваться сквозь слой изолятора и циркулировать по цепи. Теперь этот эффект носит имя Джозефсона, а слой изолятора называется переходом Джозефсона.
За свое открытие Джозефсон получил Нобелевскую премию 1973 года, и не зря. С его эффектом связано столько важных явлений, что вокруг него образовалась новая ветвь физики сверхпроводников, неформально именуемая джозефсоникой. В числе этих явлений и макроскопическое квантовое туннелирование, открытое нынешними лауреатами.
К счастью, суть происходящего можно объяснить с помощью наглядной аналогии. Представим себе яму, на дне которой лежит шарик. Шарик символизирует сверхпроводящую цепь с переходом Джозефсона, а яма — отсутствие напряжения. Это та самая потенциальная яма, с которой мы уже знакомили читателя. Если шарик покинет яму, в цепи возникнет напряжение. Глубина ямы зависит от силы тока в цепи. Чем больше ток, тем мельче яма. При определенной пороговой силе тока яма совсем сглаживается.
Всегда есть вероятность, что шарик туннелирует из ямы, и в цепи возникнет напряжение. Еще раз подчеркнем, что шарик символизирует всю цепь, то есть туннелирует система как целое, а не отдельные электроны. Можно теоретически рассчитать вероятность туннелирования при той или иной силе тока, то есть глубине ямы. Казалось бы, дальше все просто. Нужно очень много раз включать в цепи ток разной силы и фиксировать, сколько раз и при какой силе тока возникло напряжение. Если результаты сойдутся с предсказанными вероятностями, то вот мы и обнаружили макроскопическое туннелирование.
Холодный душ
В реальности все намного сложнее. Дело в том, что шарик может покинуть яму и без туннельного эффекта. Он все время катается, то поднимаясь по склону ямы, то скатываясь на самое дно. Чем выше температура цепи, тем больше амплитуда таких колебаний. Подавляющее большинство «побегов» шарика, то есть возникновений напряжения в цепи, связано именно с температурой, а вовсе не с туннелированием. Туннельный эффект просто тонет в этом шуме.
Однако выход есть. На вероятность «побега» влияет два фактора: температура и туннельный эффект. Даже когда образец уже достаточно холодный для сверхпроводимости, определяющий вклад в число «побегов» все еще вносит температура. Но если продолжать охлаждение, количество «тепловых побегов» тоже будет снижаться. В какой-то момент практически все «побеги» будут связаны уже не с температурой, а с туннельным эффектом. Последний не зависит от температуры, поэтому количество «побегов» перестанет падать при дальнейшем охлаждении образца. Это и будет обнаружением макроскопического туннелирования.
Постановка тонких физических экспериментов – это в каком-то смысле искусство. От экспериментатора требуется не только терпение, скрупулезность и техническое мастерство, но и творческая мысль. Мало выделить из шума тонкий эффект, нужно еще убедиться, что все сделано правильно. Работа лауреатов – настоящий шедевр экспериментального искусства. Установка была тщательно изолирована от посторонних источников тепла. Температура измерялась с точностью лучше сотых долей градуса. Все параметры установки измерялись независимо друг от друга. Авторы придумали еще несколько ухищрений, чтобы убедиться, что результат — настоящий, а не вызван какими-то неучтенными шумами. Нобелевская премия — это не только признание важности открытия, но и дань уважения искусству экспериментаторов.
Лауреаты проверили еще одно чисто квантовое свойство сверхпроводящей цепи с переходом Джозефсона — квантование энергии. Она поглощает и отдает энергию строго определенными дозами — квантами. Так ведут себя атомы, атомные ядра и другие квантовые системы.
Зыбкая граница
В заключение расскажем о том, чем важна работа лауреатов.
Квантовая физика стоит за многими привычными вещами. Например, за магнитным полем постоянного магнита, распространением света сквозь стекло или протеканием тока в самом обычном — даже не сверхпроводящем — проводе. Хотя законы электричества, магнетизма и оптики были известны задолго до квантовой механики, без нее невозможно объяснить, откуда эти законы берутся, почему они такие, какие есть.
Следующий уровень — использование квантовых законов для создания устройств, которые было бы невозможно изобрести, зная только классическую физику. В XX веке это были атомные реакторы, лазеры, а также транзисторы — основа компьютерной техники. В XXI веке на очереди квантовые компьютеры. В некоторых из них кубиты (квантовые биты) физически реализованы именно как сверхпроводящие цепи. Это гораздо удобнее, чем использовать отдельные атомы или ионы: те уж слишком малы.
Это подводит нас к еще одной возможности: сверхпроводящую цепь можно использовать как удобную модель для микроскопических квантовых систем, например, для тех же атомов или ядер. Несмотря на десятилетия развития атомной и ядерной физики, в ней все еще много открытых вопросов, потому что изучать столь крошечные объекты очень сложно.
Наконец, работа авторов проливает новый свет на фундаментальный вопрос, где пролегает граница между квантовыми и классическими явлениями. Ученые до сих спорят, как и почему квантовые явления сходят на нет, когда мы переходим от масштаба атомов к масштабу кирпичей. По-видимому, на этот вопрос нет простого ответа. Открытие макроскопических квантовых эффектов — важный шаг к правильному ответу, каким бы сложным и неожиданным тот ни оказался.