Нобелевская премия 2025

9.10.2025 12:40

Лауреатами Нобелевской премии по физике этого года стали британец Джон Кларк (John Clarke), а также американец Джон М. Мартинис (John Matthew Martinis) и француз Мишель Х. Деворе (Michel Devoret), которые работали в лаборатории Джона Кларка в Калифорнийском университете в Беркли над изучением макроскопического туннельного эффекта. В формулировке Нобелевского комитета значится: «За открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи». Тут можно сказать, что премию дали за исследования туннельных эффектов и опять по сверхпроводимости (СП), которая, безусловно, лидирует в списке предпочтений Нобелевского комитета по физике! Эта премия является продолжением Нобелевской премии по туннельным эффектам 1973 года (лауреатами стали Брайан Джозефсон, Лео Эсаки и Айвар Джайевер), хотя с тех пор прошло уже 52 года.

На самом деле, рассказ о Нобелевской премии по физике 2025 года нужно начать с 1962 года, когда теоретик Брайан Джозефсон, будучи аспирантом, решил задачу о двух сверхпроводниках, которые, не касаясь друг друга механически, находятся, тем не менее, на небольшом расстоянии (менее микрометра) друг от друга. Оказалось, что из-за квантовой природы явления сверхпроводимости (СП) – наличия у сверхпроводника длины когерентности – эти два кусочка будут «чувствовать» друг друга и при некоторых условиях между ними может протекать значительный бездиссипативный (без потерь энергии на рассеяние и тепло) сверхток! То есть реализуется активное туннелирование сверхпроводящих электронов (куперовских пар) в контакте СП – изолятор – СП, т.е. в SIS-контакте. Это явление получило название эффект(ы) Джозефсона.

Первый джозефсоновский переход был создан Джоном Роуэллом и Филипом Андерсоном в лабораториях Белла в 1963 году. На основе эффекта Джозефсона, при создании одной или двух подобных «слабых» связей в СП кольце были изобретены СКВИДы (SQUID). Так в 1964 году Р. Яклевичем, Дж. Лэмбом, Дж. Мерсеро и А. Сильвером из исследовательских лабораторий Форда был создан СКВИД постоянного тока с двумя джозефсоновскими SIS-контактами в кольце.

В итоге, Брайан Джозефсон был удостоен в 1973 году Нобелевской премии «за теоретическое предсказание свойств СП тока, проходящего через туннельный барьер…» вместе с другими «туннельщиками»: Лео Эсаки (изобретателем одноимённого диода, на вольт-амперной характеристике которого возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением) и Айваром Джайевером (или Живером), описавшим процесс протекания не сверхпроводящих, а обычных «нормальных» электронов в SIS-контакте, «за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках».

«Подчиняются ли макроскопические переменные законам квантовой механики?» – с такого вопроса начинается одна из работ лауреатов 2025 года Мартиниса, Деворе и Кларка. Примерно эту же формулировку использовал Нобелевский комитет при описании достижения лауреатов премии. Исследуя экспериментально и теоретически джозефсоновские контакты при низких температурах (от температуры кипения жидкого гелия при атмосферном давлении 4.2 К до сверхнизких температур ~0.018-0.028 К), в работах, опубликованных в журнале Physical Review Letters (PRL) в 1984-1985 г.г. [1-3], авторы показали наличие квантования энергетических уровней для макроскопического параметра системы: разности фаз между сверхпроводящими частями контакта СП – изолятор – СП, а также возможность переключения носителей тока между этими уровнями с помощью внешнего воздействия. Также ими было показана возможность резонансного возбуждения SIS-контактов (т.е. переход в состояние с конечным сопротивлением) при воздействии на них внешним микроволновым излучением с частотой равной плазменной частоте исследуемого джозефсоновского контакта.

Туннельные контакты Nb-NbOx-PbIn на основе классических СП были сделаны с помощью фотолитографии, имели размеры от 10х10 мкм2 до 10х80 мкм2 и обладали плазменными частотами порядка ~6 ГГц. Плазменная частота джозефсоновского контакта – макроскопически это отношение скорости распространения электромагнитных волн в SIS-контакте (скорости Свихарта) к характерному «электрическому» размеру контакта, в то время как сами лауреаты используют микроскопическое определение: «частота колебаний частицы на дне потенциальной ямы», образованной метастабильным состоянием SIS-контакта. После выхода заряженной частицы из этого метастабильного состояния в рамках популярной модели «стиральной доски» она начинает двигаться в наклонном потенциале U(fi) = U0 (s fi – cos(fi)), представляющем собой сумму линии с наклоном «s» и косинуса «fi», где fi – разность фаз в СП, составляющих SIS-контакт, а на туннельном контакте возникает напряжение. Чтобы вывести электрон из метастабильного состояния и оценить скорость такого выхода и плазменную частоту используемого джозефсоновского контакта, лауреаты использовали как повышение тока (от источника постоянного тока, запитывавшего SIS-контакт) вплоть до значений критического джозефсоновского тока, так и подведение микроволнового излучения через отдельную коаксиальную линию с фильтрацией. При достижении внешним микроволновым излучением той самой джозефсоновской плазменной частоты наблюдалась резонансная активация контакта и его переход из состояния с нулевым напряжением к состоянию с конечным напряжением, т.е. наблюдался уход со сверхтоковой ветви вольтамперной характеристики SIS-контакта на так называемую квазичастичную ветвь с конечным сопротивлением.

Конечно же, группа Дж. Кларка в дальнейшем проводила и другие работы по исследованию эффектов в сверхпроводниках, а также занималась разработкой и применением СКВИДов. Сам же Кларк по информации из Википедии является профессором университета в Беркли, членом Лондонского королевского общества (1986) и британского Института физики, членом Американской академии искусств и наук (2015), Американского философского общества (2017) и Американского физического общества.

Известно, что в 2014 году корпорация Google вела переговоры и в итоге наняла группу Дж. Мартиниса для создания функционирующего квантового компьютера с процессором на СП-кубитах. Скорее всего, актуальность и особый интерес к проблеме квантовых вычислений также явился важным фактором в выборе лауреатов Нобелевской премии 2025 года из всех возможных претендентов.

Литература

1. M.H. Devoret, J.M. Martinis, D.Esteve, J. Clarke. Resonant Activation from the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction // Phys. Rev. Lett. 53, 1260 (1984). DOI: 10.1103/PhysRevLett.53.1260; Resonant activation of a Josephson junction // Physica B+C 126, 483 (1984). DOI: 10.1016/0378-4363(84)90216-X

2. M.H. Devoret, J.M. Martinis, J. Clarke. Measurements of Macroscopic Quantum Tunneling out of the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction // Phys. Rev. Lett. 55, 1908 (1985). DOI: 10.1103/PhysRevLett.55.1908

3. J.M. Martinis, M.H. Devoret, J. Clarke. Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction // Phys. Rev. Lett. 55, 1543 (1985). DOI: 10.1103/PhysRevLett.55.1543