מהעולם הזעיר למעגל החשמלי: נובל לפיזיקה על חיבור בין קוונטים ומאקרוסקופיה

האקדמיה השבדית למדעים הודיעה היום (שלישי) כי פרס נובל לפיזיקה לשנת 2025 יוענק לשלושה חוקרים: ג'ון קלארק מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, מישל דבורֶה מאוניברסיטת ייל ומאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה, וג'ון מרטיניס מאותה אוניברסיטה - על גילוי מנהור קוונטי ומִדְרוּג אנרגיה (quantisation) במעגל חשמלי.

השלושה הצליחו להראות שתופעות קוונטיות, שבדרך כלל מתרחשות בעולם הזעיר של חלקיקים בודדים, יכולות להופיע גם במערכת חשמלית גדולה מספיק כדי להחזיק בכף היד. ניסוייהם, שנערכו כבר בשנות ה-80, נחשבים לאבן דרך בהבנת הגבולות שבין הפיזיקה הקלאסית לפיזיקה הקוונטית - שתי גישות שתיארו עד כה עולמות נפרדים כמעט לגמרי.

כשהמעגל מתנהג כמו חלקיק אחד

הניסויים שביצעו קלארק, דבורֶה ומרטיניס נעשו באמצעות מעגל חשמלי עשוי מחומרים מוליכי-על - חומרים שמעבירים זרם ללא התנגדות. המעגל כלל מבנה בשם צומת ג׳וזפסון (Josephson junction): שכבה דקה של חומר מבודד בין שני מוליכי-על. במערכת זו, המטענים החשמליים (אלקטרונים רבים הפועלים יחד) מתנהגים כאילו הם חלקיק יחיד.

כאשר הוזרם זרם דרך המעגל, נוצר מצב שבו הזרם זרם ללא מתח חשמלי, אך היה "לכוד" במצב זה, בדומה לחלקיק כלוא מאחורי מחסום. לפתע, ללא כל סיבה נראית לעין, המערכת "דלפה" ממצבה זה, והתופעה נצפתה כמתח פתאומי. זהו ביטוי של מנהור קוונטי - תהליך שבו חלקיקים עוברים דרך מחסום אנרגיה שאינם אמורים לעבור לפי חוקי הפיזיקה הקלאסית.

בנוסף, החוקרים גילו שהמערכת סופגת ופולטת אנרגיה רק בכמויות מסוימות, בדומה לאופן שבו אטומים פולטים פוטונים במנות מדודות. תופעה זו, שנקראת קוונטיזציה של אנרגיה, מהווה אחת מאבני היסוד של תורת הקוונטים.

מגבולות התאוריה לטכנולוגיות העתיד

"מרגש לראות כיצד מכניקה קוונטית, שגובשה לפני יותר ממאה שנה, ממשיכה לחשוף צדדים חדשים ושימושיים," אמר אולה אריקסון, יו"ר ועדת הנובל לפיזיקה. לדבריו, הממצאים של שלושת הזוכים מספקים תשתית מדעית לפיתוח הדור הבא של טכנולוגיות קוונטיות - מחשבים, חיישנים ואמצעי הצפנה הפועלים על פי עקרונות קוונטיים.

הפרס, בסך מיליון דולר, יחולק באופן שווה בין שלושת הזוכים.