諾獎(jiǎng)得主讓我們“看見”量子 開創(chuàng)實(shí)驗(yàn)揭示宏觀現(xiàn)象！在量子力學(xué)誕生百年之際，瑞典皇家科學(xué)院將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯三名量子物理學(xué)家。他們的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)讓我們能夠“看見”曾只存在于微觀領(lǐng)域的量子現(xiàn)象，也為新一代量子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

量子力學(xué)以“怪誕”和“反直覺”的現(xiàn)象著稱。例如，在日常生活中，當(dāng)我們把球扔向墻壁時(shí)，每次都會(huì)反彈回來。然而在微觀世界，單個(gè)粒子卻會(huì)“穿墻而過”，這種現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應(yīng)。上世紀(jì)80年代，這三位科學(xué)家在加利福尼亞大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。他們構(gòu)建了一個(gè)包括兩個(gè)超導(dǎo)體的電路，并用一層完全不導(dǎo)電的薄材料將這些超導(dǎo)體分開。實(shí)驗(yàn)中，他們展示了一種現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子可以表現(xiàn)出整齊劃一的行為，就好像它們是充滿整個(gè)電路的單個(gè)粒子一樣。這個(gè)系統(tǒng)起初被“困在”一個(gè)沒有電壓但有電流流動(dòng)的狀態(tài)中，通過隧穿效應(yīng)成功“逃離”零電壓狀態(tài)，并產(chǎn)生出可觀測(cè)的電壓。這意味著他們實(shí)現(xiàn)了宏觀量子隧穿。實(shí)驗(yàn)還表明，該系統(tǒng)是量子化的，即只能吸收或釋放特定能級(jí)的能量，與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)相符。有物理學(xué)家認(rèn)為，這次成果把原本的思想實(shí)驗(yàn)變成了可放在手掌中看得見的電路，雖然這個(gè)電路系統(tǒng)和一只貓還有很大差別，但在物理學(xué)家眼中它們?cè)诒举|(zhì)上很相似。

量子力學(xué)自1925年誕生以來，成為現(xiàn)代物理學(xué)的重要基礎(chǔ)。本次諾獎(jiǎng)成果也基于百年來相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家孜孜不倦的探索。1928年，物理學(xué)家喬治·伽莫夫通過對(duì)重原子核的α衰變進(jìn)行理論分析，首次提出量子隧穿效應(yīng)能夠解釋該衰變過程，從而奠定了隧穿理論在核物理中的應(yīng)用基礎(chǔ)。隨后，物理學(xué)家開始研究多個(gè)粒子同時(shí)參與的隧穿現(xiàn)象，他們把目光投向了超導(dǎo)。許多著名科學(xué)家的名字出現(xiàn)在這條研究道路上。在超導(dǎo)材料中，電子可以形成“庫珀對(duì)”。如果兩個(gè)超導(dǎo)體之間用一層薄的絕緣層相隔連接，就會(huì)形成“約瑟夫森結(jié)”。今年獲獎(jiǎng)的三名量子物理學(xué)家正是在這些先行者的成果基礎(chǔ)上，通過“約瑟夫森結(jié)”實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)，當(dāng)超導(dǎo)體中的“庫珀對(duì)”集體呈現(xiàn)量子態(tài)時(shí)，整個(gè)電路能像單個(gè)粒子一樣實(shí)現(xiàn)隧穿躍遷，打破了量子效應(yīng)僅存在于微觀世界中的傳統(tǒng)認(rèn)知。