諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主曾獲墨子量子獎(jiǎng) 宏觀量子效應(yīng)的突破(2)

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2025-10-07 22:02:54 新浪財(cái)經(jīng)

然而，一個(gè)大膽的問題在20世紀(jì)70年代末被物理學(xué)家安東尼·萊格特提出：我們能否在實(shí)驗(yàn)室里，創(chuàng)造出一個(gè)“迷你版”的薛定諤的貓？他將目光投向了超導(dǎo)電路，因?yàn)槠錁O低的電阻意味著它與環(huán)境的耗散耦合非常微弱，這為維持宏觀量子態(tài)提供了可能。他預(yù)言，在超導(dǎo)電路中，或許可以觀測(cè)到一種被稱為“宏觀量子隧穿”的現(xiàn)象。

萊格特的理論構(gòu)想為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們指明了方向，而實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想的決定性工作，正來自于本次獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家。1980年代，在美國加州大學(xué)伯克利分校，約翰·克拉克教授與他當(dāng)時(shí)的研究生約翰·馬丁尼斯以及來自法國的博士后米歇爾·德沃雷組成了一個(gè)強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)。他們的目標(biāo)非常明確：在一個(gè)簡(jiǎn)單的“電流偏置約瑟夫森結(jié)”系統(tǒng)中，尋找宏觀量子效應(yīng)存在的確定性證據(jù)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)是巨大的，任何來自外界的微小噪聲都可能“加熱”系統(tǒng)，其效果會(huì)與真正的量子隧穿現(xiàn)象相混淆，導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。

為了取得決定性的證據(jù)，伯克利小組展現(xiàn)了高超的實(shí)驗(yàn)技巧。他們?cè)O(shè)計(jì)并使用了一套包含銅粉微波濾波器在內(nèi)的復(fù)雜濾波鏈路，對(duì)特定頻率范圍內(nèi)的噪聲實(shí)現(xiàn)了驚人的衰減。同時(shí)，他們利用一種名為“共振激活”的技術(shù)，在不依賴?yán)碚摂M合的情況下，獨(dú)立地、原位測(cè)量了約瑟夫森結(jié)的等離子體頻率、阻尼電阻和臨界電流等所有關(guān)鍵參數(shù)，這使得他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以直接與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行定量比較，排除了不確定性。經(jīng)過不懈的努力，他們最終取得了歷史性的突破。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫度降低到某個(gè)臨界點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)的“逃逸”行為便不再依賴于溫度，其分布特征與量子隧穿的理論預(yù)測(cè)完全吻合，這證明了系統(tǒng)的行為是由量子力學(xué)主導(dǎo)，而非經(jīng)典的熱激活。更令人震驚的是，他們通過微波光譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)由無數(shù)庫珀對(duì)構(gòu)成的宏觀系統(tǒng)的能量，并非連續(xù)變化的，而是存在著像單個(gè)原子能級(jí)一樣分立的、量子化的能級(jí)。他們甚至觀測(cè)到了系統(tǒng)從不同的激發(fā)態(tài)隧穿出去的現(xiàn)象，其能量間隔與量子力學(xué)計(jì)算的結(jié)果精確相符。

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