Ученые Казанского университета – о Нобелевской премии по физике
Лауреатами Нобелевской премии по физике в 2025 году стали Джон Кларк (John Clarke), Мишель Деворе (Michel H. Devoret) и Джон Мартинис (John M. Martinis). Премию присудили за фундаментальные открытия в области квантовой механики, связанные с макроскопическим туннелированием в системах.
«Квантовое туннелирование является одним из "столпов" квантовой механики, на котором основаны практически все современные квантовые технологии. Это явление, при котором частица может преодолеть энергетический барьер, даже если ее энергия ниже высоты этого барьера. Это противоречит классической физике, где частица не может пройти через барьер, превышающий ее энергию. В микроскопических системах, на атомарном уровне данное явление объясняется волновой природой частиц, наблюдается очень часто и находит свое применение, например, в сканирующих туннельных микроскопах. Часто мы думаем, что все, что касается квантовой механики, лежит в области микроскопической физики, а при переходе к большим, макроскопическим системам все квантовые эффекты исчезают и начинает "работать" только классическая физика. Однако это не так. В макроскопических системах проявлений квантовых эффектов также достаточно», – особо подчеркнул первый проректор – проректор по научной деятельности КФУ Дмитрий Таюрский.
Например, явление сверхпроводимости, при котором электрический ток может протекать по проводнику без потерь на джоулево тепло, объясняется образованием в образце так называемых «куперовских пар», связанного состояния двух электронов за счет их эффективного притяжения (как одинаково заряженные частицы электроны должны отталкиваться – прим. ред.), обусловленного колебаниями кристаллической решетки. Если два сверхпроводника разделить тонким изолирующим слоем, то получается очень интересная система, называемая джозефсоновским контактом, или джозефсоновским переходом. Через этот барьер куперовские пары могут проходить за счет эффекта квантового туннелирования (эффект Джозефсона)», – пояснил первый проректор.
Однако долгое время подобные эффекты наблюдались только в микроскопических контактах.
«Лауреаты провели серию экспериментов, чтобы продемонстрировать, что причудливые свойства квантового мира можно воплотить в системе, достаточно большой, чтобы уместиться в руке. Их сверхпроводящая электрическая система могла туннелировать из одного состояния в другое, словно проходя сквозь стену. Они также показали, что система поглощает и излучает энергию дозами определенных размеров, как и предсказывает квантовая механика», – говорится на сайте Нобелевского комитета.
Квантование энергии в системах, описываемых квантовой механикой, означает дискретность уровней энергии из-за граничных условий и профилей потенциала системы. Многие компоненты электрических цепей можно моделировать как квантовые гармонические осцилляторы, что приводит к квантованию уровней энергии. Например, в LC-цепях (катушках индуктивности и конденсаторах – прим. ред.) энергия может быть квантована благодаря дискретности заряда и магнитного потока. Квантование энергетических уровней в джозефсоновских контактах используют для создания сверхпроводящих кубитов. Они в настоящее время активно исследуются в контексте создания квантовых компьютеров, используются в некоторых квантовых процессорах, разработанных ведущими технологическими компаниями и исследовательскими институтами. В совместной лаборатории КФУ-РИКЕН в Институте физики проводятся исследования квантовых явлений в различных материалах на масштабах от наноуровня до макроскопических систем.
Доцент кафедры общей физики Руслан Батулин сообщил, что на данный момент ученые экспериментируют на поверхности криогенных подложек при ультранизких температурах для реализации аппаратной платформы для квантовых вычислений.
«Квантовые вычисления – одно из самых перспективных направлений в современной науке и технологиях. Они основаны на принципах квантовой механики и позволяют решать задачи, которые недоступны для классических компьютеров. Ключевую роль в развитии квантовых вычислений играют эксперименты на поверхности криогенных подложек при ультранизких температурах. Криогенные подложки – это материалы, которые используются в экспериментах при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. При таких температурах (порядка нескольких кельвинов) многие материалы проявляют уникальные свойства, которые невозможно наблюдать при обычных условиях. Например, исследовать квантовое туннелирование и другие квантовые эффекты, создавать и изучать сверхпроводящие структуры для новых типов кубитов, тестировать элементы квантовых вычислительных систем», – отметил физик.
Ведущий научный сотрудник НИЛ «Материалы для зеленой энергетики и жизнеобеспечения» Института физики Айрат Киямов считает, что особый интерес представляют работы по сверхпроводящим тонким пленкам. Коллектив молодых ученых Института физики исследует эпитаксиальные гетероструктуры толщиной не более десятков нанометров типа PdFe/VN, где палладий-железные сплавы соседствуют с нитридом ванадия.
Такие системы демонстрируют удивительное сочетание магнетизма и сверхпроводимости – явлений, которые обычно «враждуют» друг с другом в природе.
«Представьте: в одном кристалле одновременно существуют области, где электроны образуют куперовские пары (основа сверхпроводимости), и зоны с упорядоченными магнитными моментами. Интригующими являются работы по магнитным цепочечным структурам – кристаллам, где магнитные атомы выстроены в одномерные цепи. В таких системах квантовые флуктуации могут полностью разрушить классический магнитный порядок, создавая экзотические квантовые состояния материи», – пояснил Киямов.
Даже эти несколько перечисленных исследований показывают, что граница между «классическим» и «квантовым» миром более размыта, чем кажется на первый взгляд. От нанометровых структур до макроскопических кристаллов – везде можно обнаружить следы квантовой природы нашего мира, что делает работу современных физиков особенно увлекательной.
