Nobel per la Fisica alle applicazioni visibili della fisica quantistica

Roma – I premi Nobel per la fisica del 2025, John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis, hanno realizzato una serie di esperimenti per dimostrare che le strane proprietà del mondo quantistico possono manifestarsi in un sistema sufficientemente grande da essere manipolato fisicamente. Il loro circuito superconduttore può passare da uno stato all’altro tramite l’effetto tunnel, come se attraversasse una barriera invisibile. Hanno inoltre verificato che il sistema assorbe ed emette energia in quantità discrete, in accordo con le previsioni della meccanica quantistica. Tra il 1984 e il 1985, Clarke, Devoret e Martinis condussero esperimenti all’Università della California, Berkeley, costruendo un circuito elettrico composto da due superconduttori separati da uno strato isolante sottilissimo. In questo setup, le particelle cariche si muovevano all’unisono, comportandosi come un’unica entità che attraversa l’intero circuito. Il sistema rimaneva intrappolato in uno stato a corrente nulla, incapace di uscire senza l’effetto tunnel, che generava una tensione misurabile. Gli scienziati hanno anche dimostrato che il sistema è quantizzato, cioè che energia viene assorbita o rilasciata solo in quantità specifiche. L’effetto tunnel, noto fin dal 1928 grazie a George Gamow, spiega perché alcuni nuclei atomici pesanti decadono attraversando la barriera energetica che li trattiene. Questo processo quantistico è governato dal caso: nuclei con barriere elevate impiegano più tempo a decadere, mentre altri lo fanno più rapidamente. L’osservazione statistica di molti nuclei simili permette di stimare il tempo medio di decadimento, noto come emivita. I fisici si sono quindi chiesti se fosse possibile osservare un effetto tunnel che coinvolga più particelle simultaneamente. A temperature estremamente basse, alcuni materiali diventano superconduttori, dove gli elettroni si organizzano in coppie di Cooper che scorrono senza resistenza. Queste coppie, a differenza degli elettroni singoli, possono comportarsi come un’unica unità quantistica, descritta da una funzione d’onda collettiva. Collegando due superconduttori tramite un sottilissimo isolante si ottiene una giunzione Josephson, capace di mostrare effetti quantistici macroscopici e utile per misurazioni precise di costanti fisiche o campi magnetici. Il lavoro teorico di Anthony Leggett sull’effetto tunnel macroscopico ispirò Clarke e il suo gruppo di ricerca, a cui si unirono Devoret e Martinis. Per dimostrare l’effetto tunnel quantistico macroscopico, il team dovette proteggere il circuito da interferenze esterne e misurare con precisione tutte le sue proprietà. Inserendo una corrente debole nella giunzione Josephson, notarono che la tensione inizialmente era zero, poiché la funzione d’onda era confinata in uno stato senza potenziale. Studiando quanto tempo occorreva al sistema per uscire da questo stato tramite effetto tunnel, ottennero dati statistici simili a quelli delle emivite nucleari, confermando che le coppie di Cooper si comportano come un’unica “particella gigante”. Ulteriori conferme arrivarono dall’osservazione dei livelli energetici quantizzati. Inserendo microonde di varie frequenze nello stato a tensione nulla, alcune venivano assorbite e il sistema saliva a uno stato energetico superiore, dimostrando che la durata dello stato zero dipende dall’energia contenuta, come previsto dalla meccanica quantistica. Questo esperimento differisce da altri fenomeni macroscopici derivati dall’aggregazione di minuscoli elementi quantistici: qui, l’intero sistema macroscopico mostra direttamente proprietà quantistiche misurabili. Leggett paragonò questo sistema al celebre gatto di Schrödinger, dove un singolo oggetto macroscopico si trova in uno stato quantistico “doppio”. Sebbene più piccolo di un animale reale, il circuito costituito da molte coppie di Cooper agisce come un unico sistema quantistico osservabile, aprendo la strada a nuove ricerche. Questo tipo di stato quantistico macroscopico permette la costruzione di atomi artificiali, cioè sistemi controllabili che simulano fenomeni quantistici e possono essere utilizzati in tecnologie avanzate. Successivamente, Martinis applicò questi principi ai computer quantistici, usando circuiti superconduttori con stati quantizzati come qubit: lo stato più basso e quello immediatamente superiore rappresentano rispettivamente “0” e “1”. I circuiti superconduttori rimangono oggi una delle principali strade verso la costruzione di un futuro computer quantistico.(30science.com)