Нобелевская премия 2025 года по физике

Комментарий В.В. Курина, доктора физико-математических наук, главного научного сотрудника отдела физики сверхпроводников ИФМ РАН.

Нобелевская премия по физике за 2025 год присуждена Джону Кларку, почётному профессору университета в Беркли (США), Мишелю Деворэ и Джону Мартинису, профессорам Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) за «открытие макроскопического квантового туннелирования и квантования энергии в электрических сверхпроводящих схемах».

Суть открытия заключается в наблюдении квантовых эффектов для достаточно больших макроскопических систем, что оказалось возможным благодаря использованию в экспериментальных схемах сверхпроводящих джозефсоновских контактов и проведению экспериментов при очень низких температурах вблизи нуля по шкале Кельвина. Эффект Джозефсона, теоретически предсказанный Брайаном Джозефсоном в 1962 году и удостоенный Нобелевской премии в 1973 году, наблюдается в туннельных контактах между сверхпроводниками и заключается в том, что электрический ток через такой контакт, несмотря на то, что он создаётся большим количеством электронов, определяется одной макроскопической, как физики говорят, коллективной переменной. Эта коллективная физическая величина – джозефсоновская фаза – полностью определяет динамику тока и напряжения в джозефсоновском контакте. При умеренных температурах джозефсоновская фаза подчиняется классическому нелинейному уравнению, аналогичному уравнению математического маятника с затуханием. Если ток через контакт не превышает некоторого критического значения, то контакт находится в сверхпроводящем состоянии, и напряжение на контакте равно нулю, а при превышении током этого критического значения контакт переходит в резистивное состояние, проявляющееся в появлении напряжения.

Если затухание достаточно мало, то сверхпроводящее состояние джозефсоновского контакта при пропускании тока, близкого к критическому значению, становится метастабильным, оно отделено от резистивного, энергетически более выгодного состояния конечным потенциальным барьером. В этом случае переключение контакта в резистивное состояние будет обусловлено либо тепловыми флуктуациями, либо, при низкой температуре, квантовыми флуктуациями, обусловленными некоммутативностью динамических переменных.

Нобелевский комитет отметил три основополагающих работы нобелевских лауреатов, опубликованных в журнале Phys. Rev. Letters в 1984-85 годах, в которых они продемонстрировали квантовомеханическое поведение джозефсоновского контакта при низких температурах.

В совместной работе всех трёх нобелевских лауреатов [1] как раз и было экспериментально обнаружено, что при понижении температуры джозефсоновского контакта скорость распада сверхпроводящего состояния постепенно уменьшается и, при низких температурах, порядка 10 милликельвин, выходит на стационарное значение, обусловленное туннельным квантовомеханическим эффектом.

В двух других работах были описаны эксперименты по измерению скорости распада сверхпроводящего состояния при воздействии на джозефсоновский контакт СВЧ излучения с частотой порядка 10 ГГц. В работе [2] было обнаружено, что поведение скорости перехода в резистивное состояние при низких температурах зависит от частоты падающего излучения резонансным образом, что свидетельствовало о существовании долгоживущего квазидискретного энергетического уровня в системе.

В аналогичной работе [3] было проведено детальное изучение резонансных зависимостей скоростей распада сверхпроводящего состояния от частоты падающего излучения и температуры. Проведённое сравнение экспериментальных результатов с квантовомеханическими расчётами позволило надёжно установить существование нескольких квазидискретных уровней и проследить их смещение при изменении транспортного тока.

Исследования лауреатов открыли возможность создания своего рода искусственных атомов на основе сверхпроводящих контуров с джозефсоновскими контактами, которые могут быть использованы как квантовые биты для реализации квантовых вычислений. Работы в направлении создания таких квантовых компьютеров активно ведутся в ведущих мировых центрах, и сверхпроводящие схемы с джозефсоновскими контактами в настоящее время занимают лидирующие позиции в развитии данного направления.

1. M. H. Devoret, J. M. Martinis, J. Clarke, “Measurement of Macroscopic Quantum Tunneling out of a Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction”, Phys. Rev. Lett. 55, 1908 (1985).
2. M. H. Devoret, J. M. Martinis, D. Esteve, J. M. Clarke, “Resonant Activation from the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction”, Phys. Rev. Lett. 53, 1260 (1984).
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).