Nobelova cena za fyziku 2025: Kvantové tunelovanie v reálnom svete

Minulý rok sme sledovali, ako umelá inteligencia zasahuje do sveta fyziky. Tento rok je situácia ešte zaujímavejšia! Nobelova cena za fyziku 2025 bola udelená Johnovi Clarkovi, Michaelovi Deetovi a Johnovi Martinezovi za ich prínos k pochopeniu kvantového tunelovania a kvantovaniu energie v elektrických obvodoch. Znie to zložito? Nebojte sa! V tomto článku si vysvetlíme, o čo vlastne išlo a prečo je toto objavenie tak dôležité.

Kľúčové poznatky

• Kvantové tunelovanie: Subatomárne častice môžu prechádzať bariérami, aj keď nemajú dostatok energie na to, aby ich prekročili –, ako keby prešli stenou!
• Makroskopické kvantové javy: Clark, Deet a Martinez dokázali, že kvantové tunelovanie nie je len javom mikroskopického sveta, ale môže sa vyskytovať aj vo väčších systémoch.
• Supervodivosť a Josephsonov prechod: Kľúčovým prvkom ich experimentu boli supervodiče a Josephsonov prechod – špeciálna konštrukcia umožňujúca pozorovanie kvantových javov na makroskopickej úrovni.
• Kvantové počítače a ďalšie technológie: Ich prínos položil základy pre vývoj kvantových počítačov, MRI prístrojov a iných pokročilých technológií.

Kvantový svet versus náš svet: Prečo je to tak zvláštne?

V bežnom živote vieme, že veci sa nemôžu len tak "prepaľovať" cez steny. Ak hodíte loptu na múr, odrazí sa späť. To je klasická fyzika, ktorú všetci dobre poznáme. Ale v kvantovom svete, kde sa pohybujú atómy a elektróny, platia iné pravidlá.

Častice ako elektróny majú zvláštnu vlastnosť: okrem toho, že sa správajú ako častice, môžu sa správať aj ako vlny. A vlnám je možné "prechádzať" cez bariéry – to je kvantové tunelovanie. Je to ako keby loptička náhle zmizla na jednej strane múru a objavila sa na druhej!

Experiment, ktorý zmenil všetko: Kvanty v elektrických obvodoch

Po dlhú dobu vedci verili, že kvantové tunelovanie je len javom mikroskopického sveta. Ale Clark, Deet a Martinez sa rozhodli to otestovať na väčších systémoch. Použili supervodiče – materiály, ktoré prenášajú elektrický prúd bez odporu pri nízkych teplotách.

Konkrétne použili Josephsonov prechod – tenká vrstva ne-supervodivého materiálu medzi dvoma supervodičmi. V tomto usporiadaní dokázali pozorovať kvantové tunelovanie na makroskopickej úrovni, teda v systémoch s miliardami atómov!

Cooperove páry a umelé atómy: Ako to fungovalo?

V supervodičoch sa elektróny spájajú do párikov, tzv. Cooperových párov. Tieto páry sa správajú ako jedna veľká kvantová častica. V Josephsonovom prechode tieto Cooperove páry "tunelujú" cez ne-supervodivú bariéru, aj keď by klasicky nemali dostatok energie na to, aby ju prekročili.

Výsledkom je, že elektrický prúd môže plynúť bez odporu a systém sa správa ako umelé atómy s kvantovanými energetickými hladinami – tzn. „energia existuje len v určitých, presných hodnotách.“

Dôsledky pre budúcnosť: Kvantové počítače a ďalšie inovácie

Objavenie Clarka, Deeta a Martineza malo obrovský dopad na fyziku a technológiu. Položilo základy pre vývoj kvantových počítačov – zariadení, ktoré by mohli riešiť problémy, ktoré sú pre dnešné počítače neprekonateľné.

Okrem toho ich prínos vedie k inováciám v oblasti:

• MRI (magnetická rezonancia): Používa sa na vytváranie detailných obrazov vnútorných orgánov a tkanív.
• Geofyziky: Slúži na štúdium zemského magnetického poľa.
• Neurovedy: Pomáha pri štúdiu mozgu a nervového systému.

Záver: Kvantový svet je stále plný prekvapení

Nobelova cena za fyziku 2025 nám pripomína, že aj v zdanlivo bežných veciach sa skrývajú hlboké kvantové javy. Clark, Deet a Martinez nám ukázali, že kvantový svet nie je len doménou mikroskopických častíc, ale môže ovplyvňovať aj makroskopické systémy, ktoré nás obklopujú. A čo je najdôležitejšie – ich prínos otvoril dvere k novým technológiám, ktoré môžu zmeniť náš svet.

Dôležité odkazy:

• Nobelova cena za fyziku 2025

Približne 131 gCO₂ bolo uvoľnených do atmosféry a na chladenie sa spotrebovalo 0.66 l vody za účelom vygenerovania tohoto článku.