專家解讀在宏觀尺度觀測(cè)量子隧穿效應(yīng) 諾獎(jiǎng)得主的突破性貢獻(xiàn)(2)

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2025-10-07 22:25:28 澎湃新聞

今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的實(shí)驗(yàn)證明了隧穿效應(yīng)可在包含大量粒子的宏觀尺度上被觀測(cè)到。1984年至1985年，克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯在加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)。他們搭建了包含兩個(gè)超導(dǎo)體的電路，并用一層完全不導(dǎo)電的薄材料將兩個(gè)超導(dǎo)體隔開(kāi)。他們成功優(yōu)化了電路并測(cè)量了其所有特性，從而深入理解了電路的工作原理。

在實(shí)驗(yàn)中，他們成功控制并觀測(cè)到一種現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子會(huì)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，仿佛它們是一個(gè)充滿整個(gè)電路的“單粒子”。這種類粒子系統(tǒng)會(huì)被困在“零電壓電流態(tài)”中——在該狀態(tài)下，電流無(wú)需電壓即可流動(dòng)，且系統(tǒng)沒(méi)有足夠能量脫離這一狀態(tài)。而在實(shí)驗(yàn)里，該系統(tǒng)通過(guò)隧穿效應(yīng)脫離零電壓態(tài)、產(chǎn)生電壓，展現(xiàn)出了量子特性。

三位獲獎(jiǎng)?wù)哌€證實(shí)該系統(tǒng)具有“量子化”特征，也就是它只會(huì)以特定的能量值吸收或釋放能量。他們向零電壓態(tài)中引入了不同波長(zhǎng)的微波，發(fā)現(xiàn)部分微波被系統(tǒng)吸收，且系統(tǒng)隨后會(huì)躍遷到更高的能級(jí)。這一結(jié)果表明：系統(tǒng)能量越高，零電壓態(tài)的持續(xù)時(shí)間就越短，這與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)完全一致，就像被壁壘困住的微觀粒子的行為一樣。

以往在宏觀尺度上被觀測(cè)到的其他量子效應(yīng)，大多由大量“微觀單元”及其各自的量子特性共同構(gòu)成。但此次實(shí)驗(yàn)從“本身具有宏觀屬性的狀態(tài)”中，直接產(chǎn)生了宏觀效應(yīng)，即可測(cè)量的電壓。

安東尼·萊格特等理論家將三位獲獎(jiǎng)?wù)叩摹昂暧^量子系統(tǒng)”與埃爾溫·薛定諤著名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。萊格特認(rèn)為，克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯的一系列實(shí)驗(yàn)表明：存在“大量粒子協(xié)同運(yùn)動(dòng)、且完全符合量子力學(xué)預(yù)測(cè)”的現(xiàn)象。由于該實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是“適用于整個(gè)系統(tǒng)的量子力學(xué)特性”，對(duì)量子物理學(xué)家而言，它與薛定諤設(shè)想的“量子貓”已十分接近。

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