L’Accademia reale svedese delle scienze ha assegnato il Premio Nobel per la Fisica 2025 a John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis. Il riconoscimento si deve per la scoperta dell’effetto di tunnel quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico. I premiati hanno osservato in particolare due fenomeni caratteristici del mondo subatomico: il tunneling quantistico e la quantizzazione dell’energia.
L’esperimento sulle giunzioni Josephson
Generalmente la fisica quantistica descrive i fenomeni che coinvolgono le singole particelle su scala microscopica. Invece la fisica classica si occupa dei fenomeni macroscopici. Verso la metà degli anni Ottanta, Devoret, Clarke e Martinis focalizzarono la loro ricerca sul modo in cui i fenomeni quantistici potessero manifestarsi su sistemi più estesi. Hanno sviluppato un particolare circuito, chiamato giunzione Josephson, formato da due superconduttori separati da un isolante sottile. Nei superconduttori, gli elettroni si uniscono nelle coppie di Cooper, che scorrono senza resistenza. All’interno della giunzione, queste possono attraversare lo strato isolante grazie al tunneling quantistico, mantenendo la loro coerenza come un unico sistema.
I ricercatori applicarono una corrente elettrica debole alla giunzione Josephson e successivamente misurarono la tensione. Essi riscontrarono che questa impiegava un certo tempo prima di passare da zero a un valore superiore. Tale ritardo dimostrò, che per un breve periodo gli elettroni accoppiati superavano la barriera grazie all’effetto tunnel. I loro esperimenti richiesero numerosi test per tenere conto della componente casuale insita nella fisica quantistica. Ulteriori conferme sono arrivate applicando più energia al sistema. La durata dello stato a tensione zero infatti si riduceva. In un superconduttore le coppie di Cooper si comportano come se fossero un’unica particella che occupa l’intero circuito.
In pratica, i ricercatori sono riusciti a osservare un comportamento quantistico macroscopico. Il tunneling si manifestava quindi in un oggetto misurabile direttamente. Essi hanno così dimostrato che le leggi della meccanica quantistica non si applicano solo agli atomi e alle singole particelle, ma possono influenzare sistemi più complessi. L’ulteriore evoluzione dell’esperimento dimostrò anche il secondo fenomeno premiato: la quantizzazione dell’energia. I tre scienziati hanno dimostrato che il loro sistema assorbe ed emette energia soltanto in dosi o “pacchetti” di dimensioni discrete, esattamente come predicono le leggi quantistiche.
Implicazioni per la Tecnologia Quantistica
Le scoperte di Clarke, Devoret e Martinis aprono la strada a nuove applicazioni tecnologiche basate sui fenomeni quantistici. Il loro lavoro fondamentale ha reso possibili nuovi esperimenti e ha gettato le basi per tecnologie quantistiche avanzate, inclusi circuiti superconduttori, qubit per computer quantistici e atomi artificiali su larga scala. La loro scoperta rappresenta, in molti modi, la base per lo sviluppo del computer quantistico. Oggi, l’effetto tunnel e la quantizzazione dell’energia rendono possibile la realizzazione di sistemi quantistici su chip, il fondamento dell’informatica quantistica su cui lavorano centri di ricerca in tutto il mondo. Queste ricerche si sono rivelate fondamentali non solo per la fisica teorica, ma anche per applicazioni pratiche come la crittografia quantistica e i sensori di ultima generazione.
