2025年諾貝爾物理學獎用人類的尺度揭示量子特性

2025-10-07 | 來源: 科技日報 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

壹個被勢壘束縛的量子力學系統可以具有不同的能量，但它只能吸收或釋放特定數量的能量。這種特性稱為量子化。在較高能級時，隧穿更容易發生。

物理學家很快開始思考：是否有可能研究壹種涉及多個粒子同時參與的隧穿現象？探索新型實驗的壹個方向，源自某些材料在極低溫下出現的特殊現象。

在普通導電材料中，電流的產生是由於存在可在整個材料中自由移動的電子。在某些材料中，穿過導體的獨立電子會變得有序，形成壹種協調壹致的“舞蹈”，毫無阻力地流動。此時材料就變成了超導體，而電子則兩兩結合成對。這種電子對被稱為“庫珀對”，以萊昂·庫珀命名。他與約翰·巴丁和羅伯特·施裡弗共同詳細描述了超導體的工作機制（叁人因此獲得1972年諾貝爾物理學獎）。

庫珀對的行為與普通電子完全不同。電子具有很強的“個體性”，傾向於彼此保持距離——兩個具有相同性質的電子不可能處於同壹狀態。這壹點在原子中可以明顯看到，例如電子分布在不同的能級（即電子殼層）上。然而，當超導體中的電子結成對後，它們的部分個體性就消失了；雖然兩個獨立的電子總是可區分的，但兩個庫珀對卻可以完全相同。這意味著超導體中的所有庫珀對可以被描述為壹個整體，壹個統壹的量子力學系統。用量子力學的語言來說，它們具有壹個共同的波函數。這個波函數描述了在給定狀態下觀測到該系統的概率及其具有的特定性質。

科學家們的起步

這些課題恰好契合約翰·克拉克的研究。他當時是美國加州大學伯克利分校的教授，此前於1968年在英國劍橋大學獲得博士學位後移居美國。在伯克利，他組建了自己的研究團隊，專注於利用超導體和約瑟夫森結來探索多種物理現象。

到20世紀80年代中期，米歇爾·H·德沃雷特在巴黎獲得博士學位後，作為博士後加入了約翰·克拉克的研究團隊。該團隊還包括博士生約翰·M·馬丁尼斯。他們叁人共同承擔起證明“宏觀量子隧穿”的挑戰。實驗裝置必須極其精細，並采取大量措施屏蔽外界幹擾。他們成功地優化並精確測量了電路的所有特性，從而能夠深入理解該系統的運行機制。

為了測量量子現象，他們向約瑟夫森結注入壹個微弱的電流，並測量電壓（電壓與電路中的電阻相關）。最初，約瑟夫森結兩端的電壓為零，這符合預期，因為系統的波函數被限制在壹個不會產生電壓的狀態中。接著，他們研究了系統從該狀態隧穿出去所需的時間，壹旦發生隧穿，就會出現電壓。由於量子力學本質上具有隨機性，他們進行了大量重復測量，並將結果繪制成圖，從中讀取零電壓狀態的持續時間。這種方法類似於通過大量衰變事件的統計來測量原子核的半衰期。

叁位科學家構建了壹個使用超導電路的實驗裝置。承載該電路的芯片尺寸約為壹厘米。此前，隧穿效應和能量量子化主要在僅含少數粒子的系統中被研究；而在此實驗中，這些量子現象出現在壹個包含數拾億個庫珀對的宏觀量子系統中，這些庫珀對遍布整個芯片上的超導體。因此，這項實驗將量子效應從微觀尺度推進到了宏觀尺度。