諾獎(jiǎng)得主捕捉到量子世界“穿墻術(shù)” 宏觀尺度新突破

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2025-10-08 09:16:52 新浪

北京時(shí)間10月7日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬蒂尼斯，以表彰他們在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧穿和能量量子化的貢獻(xiàn)。

今年正值量子力學(xué)誕生100周年。三位獲獎(jiǎng)?wù)咄ㄟ^精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓通常只在微觀世界出現(xiàn)的量子行為首次在宏觀尺度的電路中得以清晰呈現(xiàn)，為量子力學(xué)從理論走向?qū)嶋H觀測打開了新窗口。

《聊齋志異》中的《嶗山道士》篇目講述了書生王七上嶗山學(xué)道并學(xué)會(huì)穿墻術(shù)的故事。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，這種“穿墻術(shù)”在量子世界中確實(shí)存在。在量子力學(xué)中，像電子這樣的微觀粒子由于其波動(dòng)性，可以穿過能量構(gòu)成的“勢壘”，即使其能量低于勢壘高度。這種現(xiàn)象被稱為量子隧穿。

以往，量子隧穿只能在微觀粒子世界中觀測到。而三位科學(xué)家的突破性工作使這類量子行為首次在肉眼可見的電路中顯現(xiàn)出來。1984年至1985年間，他們利用超導(dǎo)材料構(gòu)建出一種特殊電路，在兩個(gè)超導(dǎo)元件間夾入納米級絕緣層，形成“約瑟夫森結(jié)”。該結(jié)構(gòu)由超導(dǎo)材料和絕緣體組成，能使電流無阻傳輸，更重要的是，整個(gè)電路中的電荷表現(xiàn)出統(tǒng)一的“宏觀粒子”特性。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)起初處于零電壓狀態(tài)，電流流動(dòng)卻不產(chǎn)生電壓，但隨后會(huì)通過量子隧穿效應(yīng)突然“躍出”這種狀態(tài)，產(chǎn)生可測的電壓躍變。這正是在宏觀尺度上捕捉到的量子穿墻證據(jù)。研究還證實(shí)，該宏觀系統(tǒng)的能量變化并非連續(xù)，而是呈現(xiàn)出一份一份的量子化特征，與量子力學(xué)理論預(yù)言完全吻合。

雖然理論上人體的所有粒子在同一瞬間協(xié)同隧穿的可能性極低，但在量子隧穿現(xiàn)象在生活中無處不在。例如，太陽內(nèi)部的核聚變需要?dú)湓雍丝朔薮蟮碾姶懦饬Σ拍芸拷喜??？茖W(xué)家認(rèn)為，正是量子隧穿效應(yīng)讓氫核有機(jī)會(huì)“穿越”能量壁壘，使聚變得以持續(xù)，從而使太陽能持續(xù)發(fā)光發(fā)熱。

量子隧穿現(xiàn)象早已應(yīng)用于技術(shù)領(lǐng)域，如手機(jī)和U盤等設(shè)備中的閃存芯片就是利用量子隧穿原理來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。本次獲獎(jiǎng)成果揭示的宏觀量子隧穿為下一代量子技術(shù)——包括量子加密、量子計(jì)算與量子傳感——奠定了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

(責(zé)任編輯：0882)

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