Nobel per la Fisica 2025 e effetto tunnel quantistico. La Royal Swedish Academy of Sciences ha appena annunciato i nomi degli scienziati cui è andato il massimo riconoscimento del settore: si tratta di John Clarke, della University of California, Berkeley, Michel H. Devoret, della Yale University e University of California, Santa Barbara, e John M. Martinis, della University of California, Santa Barbara. Soggetto del premio Nobel di quest’anno è la meccanica quantistica, e in particolare l’osservazione a livello macroscopico di alcuni dei suoi fenomeni più bizzarri e controintuitivi, tra cui il cosiddetto effetto tunnel. L’onorificenza arriva in riconoscimento di una serie di scoperte ed esperimenti che, oltre a migliorare la nostra comprensione del confine tra il mondo microscopico, nel quale vigono per l’appunto le leggi della meccanica quantistica, e il mondo macroscopico, hanno anche aperto la strada a numerosissime applicazioni in diversi settori, tra cui lo sviluppo e il perfezionamento dei chip alla base dei processori quantistici dei computer del futuro.
L’effetto tunnel e la quantizzazione dell’energia
Il premio è stato conferito “per la scoperta dell’effetto tunnel quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico”. La parola chiave in questa frase è “macroscopico”: la motivazione racchiude infatti una delle conquiste sperimentali più profonde e significative della fisica moderna, e cioè la dimostrazione che le leggi controintuitive del mondo subatomico, in certe condizioni, possono manifestarsi in un sistema fisico “abbastanza grande da poter essere tenuto in mano”. Il lavoro dei Nobel per la Fisica di quest’anno affronta una questione fondamentale che ha assillato i fisici per quasi un secolo: dove finisce il dominio della meccanica quantistica e inizia quello della fisica classica, con le leggi che governano la nostra esperienza quotidiana? La loro risposta, più che delimitare un confine, ha gettato un ponte: attraverso una serie di esperimenti condotti a metà degli anni Ottanta, i tre hanno costruito un circuito elettrico superconduttore e lo hanno “costretto” a rivelare la sua natura quantistica intrinseca, osservando un intero sistema (macroscopico, per l’appunto) composto da miliardi di particelle comportarsi come un’unica entità quantistica, capace di “attraversare” una barriera energetica. È il cosiddetto effetto tunnel: con un po’ di fantasia e di semplificazione, lo si può immaginare come il “trasporto” di un oggetto da una stanza all’altra attraversando una porta chiusa. Nel mondo quantistico il fenomeno era ben noto, osservato e risaputo; osservarlo nel mondo macroscopico, invece, è stata tutt’altra storia.
La motivazione del premio, non a caso, fa menzione anche della quantizzazione dell’energia: la dimostrazione di entrambi i fenomeni nello stesso sistema è stata la prova schiacciante che il circuito non comportava come un semplice aggregato di particelle, ma per l’appunto come un’unica entità quantistica coerente. L’osservazione dell’effetto tunnel macroscopico ne ha rivelato il comportamento collettivo, mentre la successiva dimostrazione che i suoi livelli quantistici erano discreti (ossia quantizzati, non continui) ha confermato che questo comportamento obbedisce alle stesse regole fondamentali cui è sottoposto un singolo atomo. È stata proprio questa duplice conferma a gettare le basi per la seconda rivoluzione quantistica e per le tecnologie che oggi promettono di ridefinire il calcolo, la comunicazione e la sensoristica.
Un po’ di storia
La scoperta premiata è il frutto di una collaborazione nata a metà degli anni Ottanta al dipartimento di fisica di Berkeley. Alla guida del gruppo c’era John Clarke, già noto per i suoi lavori nel campo della superconduttività; accanto a lui Michel Devoret, all’epoca giovane post-doc proveniente dalla Francia, e John Martinis, studente di dottorato. Per comprendere la portata del lavoro dei tre fisici sono però necessarie delle informazioni di contesto. La fisica del secolo scorso si è sviluppata sostanzialmente su due “pilastri” apparentemente inconciliabili: da un lato la fisica classica, che descrive con precisione il mondo macroscopico di cui facciamo esperienza ogni giorno (per esempio: una palla lanciata contro un muro rimbalza sempre indietro); dall’altro la meccanica quantistica, le cui leggi governano il regime microscopico di atomi e particelle (per esempio: una singola particella, lanciata contro un “muro” – ossia una barriera energetica – a volte non rimbalza, ma la attraversa come se non esistesse). È proprio questo fenomeno cui abbiamo già accennato in precedenza, l’effetto tunnel quantistico, a essere stato uno dei più sorprendenti trionfi della teoria quantistica. Nel 1928 il fisico George Gamow lo usò per spiegare il decadimento alfa, un processo in cui un nucleo pesante emette una particella alfa, ossia un nucleo di elio. Secondo la fisica classica, la particella alfa non dovrebbe avere energia sufficiente per sfuggire alla barriera energetica delle forze nucleari, ma Gamow comprese che la particella poteva “scavare un tunnel” attraverso la barriera, un’impossibilità classica che la meccanica quantistica non solo permetteva, ma prevedeva con precisione. Per anni, tuttavia, l’effetto tunnel rimase confinato al mondo microscopico, e la domanda se un comportamento così strano potesse manifestarsi su una scala più ampia rimase aperta.
Una catena di Nobel
La risposta a questa domanda risiedeva in realtà in un altro straordinario fenomeno quantistico su scala macroscopica, la già citata superconduttività. Si tratta della proprietà di alcuni materiali, in precise condizioni sperimentali (temperature molto vicine allo zero assoluto), di non offrire alcuna resistenza al passaggio di corrente: in questo scenario, gli elettroni smettono di comportarsi come particelle individuali e si mettono insieme formando le cosiddette coppie di Cooper, teorizzate da John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer. L’osservazione sperimentale di queste coppie è stata possibile grazie a un componente cruciale, la giunzione Josephson, messa a punto dal fisico Brian Josephson. Si tratta di miliardi e miliardi di particelle che perdono la propria individualità e si “condensano” in uno stato quantistico coerente, descritto da una singola funzione d’onda collettiva: l’intero sistema di elettroni inizia a muoversi all’unisono senza incontrare alcuna resistenza elettrica. E a questo punto dovrebbe essere chiaro che ci stiamo avvicinando al lavoro di Clarke, Devoret e Martinis sul “confine” tra il mondo microscopico e quello macroscopico. Tra gli anni Settanta e Ottanta, il fisico teorico Anthony Leggett si chiese se lo stato quantistico macroscopico dei superconduttori potesse esibire l’effetto tunnel, e coniò i termini Macroscopic Quantum Tunneling (Mqt) per descrivere il processo. Il salto concettuale, realizzato dagli esperimenti dei tre premiati del 2025, è stato identificare la variabile che si sarebbe comportata quantisticamente: non un’entità fisica, ma qualcosa di più sottile, una proprietà astratta dell’intero circuito (per i più curiosi: si tratta della differenza di fase della funzione d’onda macroscopica attraverso la giunzione Josephson). Si tratta di una variabile collettiva che, nell’esperimento, è diventata l’analogo della posizione di una singola particella quantistica e ha aperto la strada all’osservazione dell’Mqt. Curiosità che la dice lunga sulla portata di questa scoperta: tutti gli scienziati fin qui citati (eccetto Gamow) hanno vinto il premio Nobel. Il lavoro degli ultimi premiati è l’anello culminante di una catena causale di scoperte precedenti, ognuna delle quali ha fornito un tassello essenziale alla ricostruzione del puzzle.
Computer quantistici, ma non solo
L’impatto dei lavori condotti da Clarke, Devoret e Martinis va ben oltre la conferma di un principio fondamentale della fisica. Con i loro esperimenti, i tre hanno gettato le fondamenta della cosiddetta seconda rivoluzione quantistica, ossia la transizione dalla comprensione delle leggi quantistiche al loro sfruttamento per creare tecnologie radicalmente nuove. Il collegamento più diretto è con lo sviluppo del computer quantistico: grazie alla dimostrazione della quantizzazione dell’energia in un circuito macroscopico, i fisici si sono resi conto che i livelli di energia discreti di questo “atomo artificiale” potevano essere usati per codificare informazioni in modo quantistico, passando dal bit al qubit. Ma c’è dell’altro: grazie (anche) ai lavori dei tre Nobel è stato possibile costruire sensori quantistici avanzatissimi, tra cui i cosiddetti Squid (Superconducting Quantum Interference Devices), utilizzati con successo in campi diversi, dalla medicina alla geologia; l’idea di “atomi macroscopici” è servita anche per mettere a punto array di qubit superconduttori in grado di simulare il comportamento di altri sistemi quantistici, modellando per esempio le interazioni in molecole complesse o in nuovi materiali e accelerando la scoperta di nuovi farmaci, catalizzatori e materiali innovativi. E chissà cos’altro ancora.
Immagine: The Royal Swedish Academy of Sciences
Via: Wired.it
