A kvantummechanika olyan tulajdonságokat ír le, amelyek a részecskék szintjén jelentősek. A kvantumfizikában ezeket a jelenségeket mikroszkopikusnak nevezik, még akkor is, ha sokkal kisebbek, mint amit optikai mikroszkóppal látni lehetne. Ez ellentétben áll a makroszkopikus jelenségekkel, amelyek nagy számú részecskéből állnak. Például egy hétköznapi labda óriási mennyiségű molekulából áll, és nem mutat kvantummechanikai hatásokat. Tudjuk, hogy a labda minden alkalommal visszapattan, amikor a falnak dobjuk. Egyetlen részecske azonban néha egyenesen áthalad egy hasonló akadályon a mikroszkopikus világában, és a másik oldalon jelenik meg. Ezt a kvantummechanikai jelenséget alagúthatásnak nevezik.
Az idei fizikai Nobel-díj olyan kísérleteket ismer el, amelyek bizonyították, hogy a kvantumalagút-hatás makroszkopikus méretben, sok részecske bevonásával is megfigyelhető. 1984-ben és 1985-ben John Clarke, Michel Devoret és John Martinis egy sor kísérletet végzett a Berkeley Egyetemen. Két szupravezetőből, azaz olyan anyagból, amely elektromos ellenállás nélkül vezeti az áramot, elektromos áramkört építettek. A szupravezetőket egy vékony, egyáltalán nem vezető anyagréteggel választották el egymástól.
Ebben a kísérletben megmutatták, hogy képesek irányítani és vizsgálni azt a jelenséget, amely során a szupravezetőben lévő összes töltött részecske egyformán viselkedik, mintha egyetlen részecske lenne, amely az egész áramkört kitölti.
Ez a részecskeszerű rendszer olyan állapotban van, amelyben áram folyik feszültség nélkül – és nincs elég energiája, hogy ebből kiszabaduljon. A kísérletben a rendszer kvantumjellegét mutatja, amikor alagúthatással kiszabadul a nulla feszültségű állapotból, és elektromos feszültséget generál. A díjazottak azt is meg tudták mutatni, hogy a rendszer kvantált, ami azt jelenti, hogy csak meghatározott mennyiségű energiát tud felvenni fel vagy kibocsátani.
Alagutak és átkelések
A díjazott kutatóknak több évtized alatt kidolgozott koncepciók és kísérleti eszközök álltak rendelkezésükre. A relativitáselmélet mellett a kvantumfizika képezi a modern fizika alapját, és a kutatók az elmúlt évszázadban sokat foglalkoztak az ilyen jelenségek feltárásával.
Az egyes részecskék alagúthatásra való képessége jól ismert. 1928-ban George Gamow fizikus rájött, hogy az alagúthatás az oka annak, hogy egyes nehéz atommagok bizonyos módon bomlanak. Az atommagban lévő erők kölcsönhatása egy gátat hoz létre körülötte, amely bent tartja a benne lévő részecskéket. Ennek ellenére azonban az atommag egy kis darabja néha leválhat, kiléphet a gátból és elszökhet – hátrahagyva egy másik elemmé alakult atommagot. Alagúthatás nélkül ez a fajta bomlás nem történhetne meg.
Az alagúthatás egy kvantummechanikai folyamat, amelyben a véletlennek is szerepe van. Egyes atomok magja magas, széles gátat képez, ezért sokáig tarthat, mire a mag egy darabja megjelenik a gáton kívül, míg más atomok könnyebben bomlanak. Ha csak egy atomot vizsgálunk, nem tudjuk megjósolni, mikor fog ez megtörténni, de ha nagy számú, azonos típusú atom magjának bomlását figyeljük, meg tudjuk mérni az alagúthatás bekövetkezésének várható idejét. Ezt leggyakrabban a felezési idő fogalmával írják le, amely azt jelenti, hogy mennyi idő alatt bomlik le a minta fele.
A fizikusok hamar felvetették a kérdést, hogy lehetséges-e olyan alagúthatást vizsgálni, amelyben egyszerre több részecske vesz részt.
Az új típusú kísérletek egy része egy olyan jelenségen alapul, amely akkor jelentkezik, amikor egyes anyagok rendkívül hidegek lesznek.
Egy átlagos vezető anyagban az áram azért folyik, mert vannak olyan elektronok, amelyek szabadon mozoghatnak benne. Egyes anyagokban az egyes elektronok, amelyek átjutnak a vezetőn, szerveződhetnek, és ellenállás nélkül áramló, szinkronizált táncot járhatnak. Az anyag szupravezetővé válik, és az elektronok párokká kapcsolódnak össze. Ezeket Cooper-pároknak nevezik, Leon Cooper után, aki John Bardeen és Robert Schrieffer társaságában részletesen leírta a szupravezetők működését (amiért 1972-ben Nobel-díjat kaptak).
A Cooper-párok teljesen másképp viselkednek, mint a hagyományos elektronok. Az elektronok nagyfokú integritással bírnak, és szeretnek távol maradni egymástól – két elektron nem lehet ugyanazon a helyen, ha azonos tulajdonságokkal rendelkezik. Ezt láthatjuk például egy atomban, ahol az elektronok különböző energiaszintekre, úgynevezett héjakra oszlanak. A szupravezetőben azonban, amikor az elektronok párokat alkotnak, egy kicsit elveszítik egyéniségüket: míg két különálló elektron mindig különbözik egymástól, két Cooper-pár pontosan ugyanolyan is lehet. Ez azt jelenti, hogy a szupravezetőben lévő Cooper-párok egyetlen egységként, egyetlen kvantummechanikai rendszerként írhatók le. A kvantummechanika nyelvén ezeket egyetlen hullámfüggvényként írják le. Ez a hullámfüggvény leírja annak valószínűségét, hogy a rendszert egy adott állapotban és adott tulajdonságokkal figyeljük meg.
Ha két szupravezetőt összekapcsolnak egy vékony szigetelő réteggel, akkor Josephson-csatlakozás jön létre. Ez Brian Josephsonról kapta a nevét, aki a vonatkozó kvantummechanikai számításokat elvégezte. A kutató felfedezte, milyen érdekes jelenségek történnek, ha a csatlakozás mindkét oldalán lévő hullámfüggvényeket vesszük figyelembe (ezért 1973-ban kapott Nobel-díjat). A Josephson-csatlakozás gyorsan megtalálta alkalmazási területeit, többek között az alapvető fizikai állandók és mágneses mezők pontos mérésében.
A koncepció új módszereket is biztosított a kvantumfizika alapjainak feltárásához is. Az egyik ezen dolgozó Anthony Leggett (2003-ban kapott Nobel-díjat) volt, akinek a Josephson-csatlakozás makroszkopikus kvantumalagút-hatásáról szóló elméleti munkája új típusú kísérletekre inspirálta a kutatókat.
A nagy csapat
Ezek a témák tökéletesen illeszkedtek John Clarke érdeklődéséhez. Clarke a 1968-től volt Berkeley Egyetem professzora volt, ahol létrehozott egy kutatócsoportot, amely szupervezetők és Josephson-csatlakozások felhasználásával különféle jelenségek kutatására specializálódott.
Michel Devoret az 1980-as évek közepén csatlakozott a csapathoz, miután Párizsban szerzett doktori fokozatot. A csoport tagjai között volt John Martinis doktorandusz is. Együtt vállalkoztak a makroszkopikus kvantumalagút-hatás létének bizonyítására. Nagy gondosságra és pontosságra volt szükség, hogy a kísérleti berendezést minden olyan zavaró tényezőtől megvédjék, amely hatással lehetett rá. Sikerült finomítaniuk és megmérniük az elektromos áramkörük összes tulajdonságát, ami lehetővé tette számukra, hogy részletesen megértsék azt.
A kvantumjelenségek méréséhez gyenge áramot vezettek a Josephson-csatlakozásba, és megmérték a feszültséget, amely összefügg az áramkör elektromos ellenállásával. A Josephson-csatlakozás feszültsége kezdetben a vártnak megfelelően nulla volt. Ez azért van, mert a rendszer hullámfüggvénye olyan állapotban van, amely nem teszi lehetővé a feszültség kialakulását. Ezután azt vizsgálták, mennyi idő alatt lép ki a rendszer ebből az állapotból. Mivel a kvantummechanika véletlenszerűséget is magában foglal, számos mérést végeztek, és az eredményeket grafikonokon ábrázolták, amelyekből ki tudták olvasni a nulla feszültségű állapot időtartamát. Ez hasonló ahhoz, ahogyan az atommagok felezési idejének mérése számos bomlási eset statisztikáján alapul.
Az alagúthatás demonstrálja, hogy a kísérleti berendezés Cooper-párjai szinkronizált táncukban úgy viselkednek, mint egyetlen óriási részecske.
A kutatók ezt még inkább megerősítették, amikor látták, hogy a rendszernek kvantált energiaszintjei vannak. A kvantummechanika nevét arról a megfigyelésről kapta, hogy a mikroszkopikus folyamatokban az energia különálló csomagokra, kvantumokra oszlik. A díjazottak különböző hullámhosszúságú mikrohullámokat vezettek a nulla feszültségű állapotba. Ezek egy része elnyelődött, és a rendszer ezután magasabb energiaszintre lépett. Ez azt mutatta, hogy a nulla feszültségű állapot rövidebb ideig tartott, amikor a rendszer több energiát tartalmazott – pontosan úgy, ahogyan azt a kvantummechanika előre jelezte. Egy mikroszkopikus részecske, amely egy akadály mögött van bezárva, ugyanúgy működik.
Gyakorlati és elméleti hozadékok
Ez a kísérlet fontos következményekkel jár a kvantummechanika megértése szempontjából. A makroszkopikus léptékben demonstrált egyéb kvantummechanikai hatások sok apró egyedi darabból és azok különálló kvantumtulajdonságaiból állnak össze. A mikroszkopikus tényezők összeadódnak, és makroszkopikus jelenségeket okoznak, így működnek a lézerek, a szupravezetők és a szuperfluid folyadékok. Ez a kísérlet azonban makroszkopikus hatást – mérhető feszültséget – hozott létre egy olyan állapotból, amely önmagában makroszkopikus, hatalmas számú részecske közös hullámfüggvényének formájában.
Olyan elméleti fizikusok, mint Anthony Leggett, a díjazottak makroszkopikus kvantumrendszerét Erwin Schrödinger híres gondolatkísérletéhez hasonlították, amelyben egy macska van egy dobozban, és ha nem nézünk bele, akkor a macska egyszerre él és halott is. (Schrödinger 1933-ban kapott Nobel-díjat.) Gondolatkísérletének célja az volt, hogy rámutasson ennek a helyzetnek az abszurditására, mert a kvantummechanika speciális tulajdonságai makroszkopikus méretben gyakran eltűnnek. Egy egész macska kvantumtulajdonságait laboratóriumi kísérletben nem lehet bemutatni.
Legget azonban azzal érvelt, hogy John Clarke, Michel Devoret és John Martinis által végzett kísérletsorozat kimutatta, hogy vannak olyan jelenségek, amelyek hatalmas számú részecskét vonnak magukba, és ezek együttesen pontosan úgy viselkednek, ahogyan azt a kvantummechanika megjósolja.
A sok Cooper-párból álló makroszkopikus rendszer még mindig sok nagyságrenddel kisebb, mint egy macska – de mivel a kísérlet a rendszer egészére vonatkozó kvantummechanikai tulajdonságokat méri, egy kvantumfizikus számára ez meglehetősen hasonlít Schrödinger kitalált macskájához.
Ez a típusú makroszkopikus kvantumállapot új lehetőségeket kínál a részecskék mikroszkopikus világát irányító jelenségek felhasználásával végzett kísérletekhez. Ez egy nagy léptékű mesterséges atomnak tekinthető – olyan atomnak, amely kábelekkel és aljzatokkal rendelkezik, és amely új kísérleti berendezésekhez csatlakoztatható vagy új kvantumtechnológiákban felhasználható. A mesterséges atomokat többek közt más kvantumrendszerek szimulálására és azok megértésének elősegítésére használják.
Egy másik példa a Martinis által azóta elvégzett kvantumszámítógép-kísérlet, amelyben pontosan azt az energia-kvantálást használta, amelyet ő és a másik két díjazott bemutatott. Kvantált állapotú áramkört használt információhordozó egységként – kvantumbitként. A szupravezető áramkörök azon technikák közé tartoznak, amelyeket a jövőbeli kvantumszámítógépek megépítésére irányuló kísérletek során átfogóan vizsgálnak. Az idei díjazottak így mind a fizikalaborok gyakorlati hasznosulásához, mind a fizikai világunk elméleti megértéséhez szükséges új információk biztosításához nagyban hozzájárultak.
