Po trzech latach nagroda Nobla w dziedzinie fizyki znów została przyznana badaczom zajmującym się mechaniką kwantową. Ta fundamentalna teoria kojarzy się nam zwykle z opisem świata w jego najmniejszej skali – pojedynczych atomów, a nawet ich składników – i wydaje się nie być odpowiednia do wyjaśniania zachowania obiektów, które widzimy gołym okiem.
Jednym z fascynujących przejawów praw mechaniki kwantowej jest zjawisko tunelowania – które można porównać do kwantowej wersji sytuacji, gdy lecąca piłka przenika przez ścianę zamiast się od niej odbić. W przełomowych badaniach przeprowadzonych około 40 lat temu w Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, laureaci pokazali, że taki kwantowy efekt może wystąpić nie tylko w świecie pojedynczych cząstek, ale również w układzie obejmującym ich ogromną liczbę. Przedmiotem nagrodzonego eksperymentu był nadprzewodzący obwód elektryczny, czyli układ w skali makroskopowej — coś, co można wziąć do ręki.
Fizycy w tych badaniach eksplorowali stan nadprzewodnictwa, w którym prąd przepływa bez oporu. W tym stanie elektrony łączą się w pary (zwane parami Coopera), a duża liczba takich par tworzy zbiorowy stan kwantowy, zaskakująco odporny na zakłócenia środowiskowe. Oprócz tunelowania laureaci wykazali, że energia badanego obwodu nie może przyjmować dowolnych wartości, lecz jest skwantowana – występuje w dyskretnych poziomach, typowych raczej dla świata atomów niż dla makroskopowych obiektów.
Badania tegorocznych laureatów przesuwają granice stosowalności mechaniki kwantowej na obiekty znacznie większe niż dotąd. Ich wyniki nie tylko pogłębiają nasze rozumienie podstaw kwantów, lecz mają realny potencjał zastosowań poza czystą fizyką. Warto zauważyć, że ich prace przyczyniły się m.in. do konstrukcji kubitu opartego na nadprzewodzącym obwodzie, co otwiera nowe możliwości w rozwoju komputerów kwantowych (nawiązując przy tym do wcześniejszej Nagrody Nobla z 2022 r., która dotyczyła innego aspektu technologii kwantowej).
W 2025 roku przypada także stulecie powstania mechaniki kwantowej – a ONZ ogłosiła bieżący rok Międzynarodowym Rokiem Nauki i Technologii Kwantowych. Od czasów pionierskich dokonaliśmy ogromnego postępu w rozumieniu i wykorzystaniu zasad tej teorii, znajdując coraz to nowe i inspirujące zastosowania w technologiach przyszłości.
Jak zauważa prof. dr hab. Karol Szałowski, to nie pierwsza Nagroda Nobla z fizyki ściśle powiązana z badaniami nadprzewodnictwa – poprzednie przyznano w latach 1913, 1972, 1973, 1987 i wreszcie w 2003 roku. Owo kwantowe zjawisko stanowi szczególnie atrakcyjną kanwę najbardziej przełomowych prac badawczych współczesnej fizyki. Profesor podkreśla, że badania z pewnością przyniosą jeszcze wiele niespodzianek – zwłaszcza że wciąż nie w pełni rozumiemy istotę niektórych rodzajów nadprzewodnictwa, co stanowi poważne wyzwanie dla fizyków fazy skondensowanej.
Materiał źródłowy: prof. dr hab. Karol Szałowski, Katedra Fizyki Ciała Stałego WFiIS
