他们用人类的尺度揭示量子特性！

解读2025年诺贝尔物理学奖

潇湘晨报 的报道

10月7日下午17:45，瑞典皇家科学院颁出2025年诺贝尔物理学奖。因在量子力学领域做出的突出贡献，约翰・克拉克（John Clarke）、米歇尔・H・德沃雷特（Michel H. Devoret）和约翰・M・马丁尼斯（John M. Martinis）获得今年的诺贝尔物理学奖，以表彰他们“发现了电路中的宏观量子力学隧穿和能量量化”。

2025年是量子力学诞生一百周年。量子力学描述的是什么？是在单个粒子尺度上才“显现”的物理特性。在量子物理学中，这些现象比光学显微镜所能观测到的还要小得多，它们被称为“微观”现象。

这与由大量粒子构成的“宏观”现象形成对比。例如，一个日常生活中常见的球，由分子组成来描述的话就是天文数字级别的，它不会表现出任何量子力学效应。人们都知道，每次把球扔向墙壁，它都会反弹回来。然而，一个单独的粒子在其微观世界中，有时却能直接穿过类似墙的障碍，出现在“墙”的另一侧。这种量子力学现象被称为“隧穿”。

他们用人类的尺度揭示量子特性！解读2025年诺贝尔物理学奖

今年的诺贝尔物理学奖，表彰了那些在宏观尺度上、涉及大量粒子的情况下，成功观测到量子隧穿现象的实验。1984年和1985年，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯三位科学家在美国加州大学伯克利分校进行的一系列实验，构建了一个包含两个超导体的电路。超导体是能够以零电阻传导电流的材料，这两个超导体之间由一层完全不导电的薄材料隔开。但在实验中，他们证明了可以控制并研究一种现象：超导体中的所有带电粒子协同运动，表现得就像一个单一的粒子，充满整个电路。

他们用人类的尺度揭示量子特性！解读2025年诺贝尔物理学奖

这种类粒子系统被束缚在一个有电流流动但没有电压的状态中。在实验中，该系统通过量子隧穿效应展现出了量子特性：从零电压状态中逃逸出来，并产生一个电势差（电压）。

与此同时，今年的三位获奖者还证明了这一系统的能量是量子化的——即它只能以特定的、分立的量吸收或释放能量。

什么是隧穿？

为了开展研究，三位获奖者借助了数十年来发展起来的理论概念和实验工具。

我们知道，量子物理与相对论共同构成了所谓“现代物理学”的基础。过去一个世纪以来，无数科研人员一直在探索其深远含义。

单个粒子发生隧穿的现象，其实早已为人所知。1928年，物理学家乔治·伽莫夫意识到，正是隧穿效应导致某些重原子核以特定方式发生衰变。原子核内部各种力的相互作用在其周围形成了一道势垒，将内部粒子束缚其中。然而，尽管存在这道势垒，原子核的一小部分仍有时能分裂出来，穿过势垒逃逸出去，从而使原来的原子核转变为另一种元素。如果没有隧穿效应，这类核衰变就不可能发生。

隧穿是一种量子力学过程，其中包含着随机性。某些类型的原子核具有又高又宽的势垒，因此其粒子需要很长时间才能出现在势垒之外；而另一些类型的原子核则更容易发生衰变。如果人们只观察单个原子，那无法预测隧穿何时会发生；但通过观测大量同种原子核的衰变行为，可以测量出隧穿发生的平均时间。描述这一现象最常见的方法是“半衰期”概念，即样品中一半原子核发生衰变所需的时间。

一个被势垒束缚的量子力学系统可以具有不同的能量，但它只能吸收或释放特定数量的能量。这种特性称为量子化。在较高能级时，隧穿更容易发生。

物理学家很快开始思考：是否有可能研究一种涉及多个粒子同时参与的隧穿现象？探索新型实验的一个方向，源自某些材料在极低温下出现的特殊现象。

在普通导电材料中，电流的产生是由于存在可在整个材料中自由移动的电子。在某些材料中，穿过导体的独立电子会变得有序，形成一种协调一致的“舞蹈”，毫无阻力地流动。此时材料就变成了超导体，而电子则两两结合成对。这种电子对被称为“库珀对”，以莱昂·库珀命名。他与约翰·巴丁和罗伯特·施里弗共同详细描述了超导体的工作机制（三人因此获得1972年诺贝尔物理学奖）。