Autor
Royal Swedish Academy of Sciences
3 fișe de lectură din 3 cărți · 1973–2025.
3 fișe
Press release: The 1973 Nobel Prize in Physics · 1973
O particulă cuantică nu sare zidul și nu îl sparge: unda ei trece prin el slăbită, iar ce rămâne dincolo e o șansă.
Gândește-te la o minge pe care o rostogolești spre un deal. Dacă nu are destulă viteză, urcă puțin, se oprește și se întoarce. Niciodată, nici măcar o dată la un milion de încercări, nu apare de partea cealaltă. Așa merge lumea mare, a bilelor, a mașinilor și a oamenilor. În lumea foarte mică, a electronilor și a protonilor, regula se schimbă. Acolo, o particulă care nu are destulă energie ca să treacă peste un obstacol are totuși o șansă mică să fie găsită dincolo de el. Fizicienii numesc asta tunelare, deși nu se sapă niciun tunel și zidul rămâne întreg. De ce se întâmplă? În lecțiile despre experimentul cu două fante am văzut că o particulă se poartă și ca o undă, iar unda îți spune unde e probabil s-o găsești. Când unda lovește un zid, nu se oprește brusc la suprafață. Intră puțin în zid și se stinge treptat, cam cum trece sunetul slăbit prin peretele vecinului. Dacă zidul e destul de subțire, din undă rămâne ceva și de partea cealaltă. Acel rest înseamnă o șansă reală ca particula să fie detectată dincolo. Analogia cu sunetul are o limită: sunetul ajunge mai încet, pe când particula care trece ajunge întreagă, cu toată energia ei. Nu trece „o bucată” de electron, ci electronul întreg, doar mai rar. Partea cea mai importantă e cât de repede scade șansa. Ea nu se înjumătățește când dublezi grosimea zidului, ci se prăbușește. Pentru un electron, fiecare strat în plus, gros cât un atom mic, împarte șansa la aproximativ zece. Contează și înălțimea zidului și, foarte mult, masa. Un proton, de aproape două mii de ori mai greu decât electronul, trece de nenumărate ori mai rar prin același zid. De aceea tunelarea se vede la electroni, la nucleele atomilor și în centrul stelelor, dar niciodată la o minge sau la un om care se lovește de un perete.
“Aceste unde pot pătrunde printr-o barieră care ar fi o zonă interzisă dacă particula ar fi privită în mod clasic. Termenul de fenomen de tunelare se referă la această proprietate: particula „trece prin tunel” prin zona interzisă.”
Press release: The 1986 Nobel Prize in Physics · 1986
Microscopul vede atomi, iar memoria flash ține date pentru că tunelarea depinde enorm de distanță și de tensiune.
Prima invenție a venit în 1957. Leo Esaki, un tânăr cercetător de la firma japoneză care avea să devină Sony, a făcut o diodă (o piesă care lasă curentul să treacă într-un singur sens) cu un strat de separare extrem de subțire. Curentul trecea prin strat prin tunelare, iar dioda avea un comportament ciudat: la o anumită tensiune, dacă împingeai mai tare, curentul scădea. Asta o făcea foarte rapidă. Dioda Esaki i-a adus Nobelul pentru fizică în 1973, împreună cu Ivar Giaever și Brian Josephson. A doua: microscopul cu efect tunel, construit în 1981 de Gerd Binnig și Heinrich Rohrer la laboratorul IBM din Zürich. Un ac cu vârful ascuțit până la un singur atom trece pe deasupra unei suprafețe, fără s-o atingă, la o distanță de vreo doi atomi. Între ac și suprafață trec electroni prin tunelare. Fiindcă șansa de trecere scade foarte repede cu distanța, curentul se schimbă de vreo zece ori dacă acul urcă sau coboară cu o zecime de nanometru. Ținând curentul constant și urmărind cum urcă și coboară acul, poți desena suprafața atom cu atom. Nobelul a venit în 1986. În 1989, la IBM, Don Eigler și Erhard Schweizer au mutat cu un asemenea ac 35 de atomi de xenon și au scris cu ei literele I, B și M. A treia e în buzunarul tău: memoria flash din telefon și din stick-uri. Fiecare bit e o insuliță de metal îngropată într-un izolator. Ca să scrii, aplici o tensiune mare și electronii trec prin izolator, prin tunelare, pe insuliță. Fără tensiune, izolatorul e destul de gros ca ei să rămână acolo ani de zile, cu telefonul oprit. Aceeași tunelare e și o problemă: când izolatorul din tranzistoare a ajuns la grosimea câtorva atomi, electronii au început să scape prin el, iar industria a trebuit să treacă la alte materiale.
“O tensiune electrică între vârful acului și suprafață face ca între ele să curgă un curent, deși nu se ating. […] Înregistrând mișcarea pe verticală a acului, poți studia structura suprafeței atom cu atom.”
Press release: The Nobel Prize in Physics 2025 · 2025
Un circuit pe care îl ții în mână poate trece prin tunelare ca o singură particulă, dacă e destul de rece și de liniștit.
Până acum, tunelarea a fost treaba particulelor minuscule: un electron, un proton, o particulă alfa. Când pui laolaltă multe particule, efectele cuantice de obicei se pierd, de aceea o minge nu trece prin perete. La începutul anilor 1980, fizicianul Anthony Leggett a pus o întrebare precisă: poate un obiect mare, construit de om, făcut din foarte multe particule, să se poarte cuantic ca un întreg? Dacă da, l-am putea vedea tunelând. La Universitatea Berkeley din California, profesorul John Clarke, cercetătorul postdoctoral Michel Devoret și doctorandul John Martinis au construit un circuit din supraconductori, materiale prin care curentul trece fără nicio pierdere când sunt foarte reci. Între două bucăți de supraconductor era un strat izolator subțire, o așa-numită joncțiune Josephson. Răcit aproape de zero absolut, circuitul se poartă ciudat: miliarde de perechi de electroni se mișcă împreună, ca o singură „particulă” uriașă care umple tot circuitul. La început, curentul curge fără nicio tensiune, ca o bilă prinsă într-o adâncitură. Clasic, bila ar trebui să stea acolo. Ea a scăpat totuși prin tunelare, iar scăparea s-a văzut simplu, pe un aparat: a apărut brusc o tensiune. Au arătat și a doua trăsătură cuantică: circuitul primea energie doar în porții de mărimi precise, nu în orice cantitate, ca un atom. De aceea se vorbește despre „atomi artificiali”. Mai târziu, Martinis a folosit exact aceste trepte de energie ca să construiască un qubit, unitatea de informație a unui calculator cuantic: treapta de jos înseamnă zero, prima treaptă de sus înseamnă unu. Circuitele supraconductoare sunt azi una dintre principalele căi spre calculatoarele cuantice. Nobelul pentru fizică din 2025 le-a fost acordat celor trei „pentru descoperirea tunelării cuantice macroscopice și a cuantificării energiei într-un circuit electric”.
“E minunat să putem sărbători felul în care mecanica cuantică, veche de un secol, ne oferă mereu surprize noi. Este și enorm de utilă, pentru că mecanica cuantică stă la baza întregii tehnologii digitale.”