Az idei fizikai Nobel-díjat úgynevezett „makroszkopikus kvantummechanikai alagutazásért” ítélték oda, illetőleg azért, hogy megmutatták, hogy egyszerű elektronikai áramkörökben is meg lehet figyelni energiakvantálást.

A makroszkopikus kvantummechanikai alagúteffektus egy elsőre elég bonyolultan hangzó kifejezés – magyarázta Csonka Szabolcs, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem docense az InfoRádióban. A kvantummechanikai jelenségek általában kis rendszerekben jelentkeznek. A legjobb példa erre az atomok fizikája.

„Egy atom nagyon hasonló rendszer, mintha vesszük a Napot és körülötte a bolygókat. Egy atomban van az atommag, a körül találhatók az elektronok. És noha fizikailag ugyanazok a törvények írják le ezt a két rendszert, mégis nagyon különbözően tudnak viselkedni, mert az atomok esetén a kvantummechanika törvényei érvényesülnek. Ennek az egyik következménye, hogy az elektronok egy atommag körül csak megadott pályákon tudnak mozogni, és ezeknek a pályáknak a következménye a periódusos rendszer és a kémia, mint tudomány. A most Nobel-díjat kapott tudósok felfedezésében az az érdekes, hogy a kvantummechanikát nem csak egy egyrészecskés rendszerben lehet tetten érni, vagyis egy úgynevezett mikroszkopikus rendszerben, ami nagyon-nagyon picike. Hanem

kiderült, hogy a kvantummechanika egy nagyobb, makroszkopikus rendszeren is tettenérhető, mint például egy olyan áramkörön is, aminek a mérete centiméteres nagyságú, amit már kézbe tudunk fogni”

– mondta Csonka Szabolcs, hozzátéve: tehát ez a kvantumos része a címnek. Majd folytatta: a címben szerepel az „alagutazás”, ami a kvantumfizika érdekes jelensége.

„Tételezzük fel, hogy van egy nagyon magas, vékony fal, amin én keresztül szeretnék menni. Ennek a falnak nekifuthatok, megpróbálhatok rajta keresztülmenni, de nincs annyi energiám, hogy átjussak a fal tetején, hogy át tudjam ugrani. Tehát ezen a falon én, mint egy makroszkopikus nagy objektum, nem tudok keresztüljutni. Ugyanakkor ha elmegyünk a mikro- vagy nanovilágba, ott a részecskék át tudnak jutni egy nagyon magas és nagyon vékony falon, akkor is, ha nincs elég energiájuk, hogy átugorják. Ezt hívják kvantummechanikai alagutazásnak” – magyarázta az egyetemi docens. „Ez megint az elektronokhoz, vagyis nagyon kicsi részecskékhez kapcsolódó folyamat.

Amitől ez makroszkopikussá válik a díjnyertes tudósok kísérletben, az az, hogy ezt egy áramkörben látták”

– tette hozzá.

Ez az áramkör egy szupravezető anyagból készült. „Két szupravezető drót volt összeérintve, és egy nagyon vékony elválasztófallal különítették el őket. Tehát a rendszer nagyon hasonlít az előző példára, hogy az ember át akar egy falat ugrani. Van egy nagyon vékony, nagyon magas fal. És azt tapasztalták, hogyha veszik ezt a vékony fal szupravezető rendszert, akkor annak két különböző állapota lehet. Az egyik, hogy az elektronok benne szupravezető állapotban vannak. Ez azt jelenti, hogy nincsen ellenállásuk, úgy tudnak keresztülhaladni a rendszeren, hogy nem melegítik az áramkört, az elektronok keresztül tudnak menni a falon minden ellenállás nélkül. És ha messziről, makroszkopikusan ránézünk erre az áramkörre, akkor azt látjuk, hogy az egész szupravezető állapotban található, de ez az áramkör át tud menni normál állapotba, tehát olyanná tud válni, mint egy közönséges drót, aminek ellenállása van, méghozzá egy ugyanilyen kvantummechanikai alagutazáson keresztül. Ez a nagyon sok elektron együtt úgy viselkedik, hogy egyszer szupravezetők, ez az egyik állapotuk, és ebből az állapotból ők át tudnak alagutazni egy olyan másik állapotba, amikor már nem szupravezetők” – fejtette ki ki Csonka Szabolcs.

Mint elmondta, a felfedezés gyakorlati jelentősége abban áll, hogy az elmúlt két évtized technológiai fejlődésének köszönhetően ma már olyan gyakorlati megoldások jelenhetnek meg, amelyek kvantummechanikán alapulnak.

„Itt gondolhatunk kvantummechanikai alapú szenzorokra, detektorokra, illetőleg a kvantumszámítógépek területére is.

A ma leginkább előrehaladott kvantumszámítógép-architektúrák pont ezeken a szupravezető átmeneteken alapulnak, amit a három díjnyertes tudós vizsgált a szóban forgó kísérleteikben.

Tehát ezek a szupravezető vékonyfalú alagutaztató rendszerek a szupravezető qubit alapú chipek legfontosabb építőkövei” – mondta Csonka Szabolcs, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem docense az InfoRádióban.