2025 جائزة نوبل تم منح درجة الدكتوراه في الفيزياء لثلاثة من الباحثين لاكتشافهم ميكانيكا الكم على نطاق جديد كليًا – نطاق كبير بما يكفي ليحمله في يدك.

جون كلارك من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، ميشيل هـ. ديفوريت جامعة ييل، وجامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، و جون إم مارتينيس من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، على الجائزة المرموقة “لاكتشافه نفق ميكانيكا الكم المجهري وتكميم الطاقة في الدائرة الكهربائية.”

أعلنت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم عن الفائزين في حفل أقيم في ستوكهولم، السويد، يوم الثلاثاء (7 أكتوبر). هذا هو جائزة نوبل للفيزياء رقم 119 ويأتي مع جائزة نقدية قدرها 11 مليون كرونة سويدية (1.2 مليون دولار).

وقال كلارك عبر الهاتف: “بعبارة ملطفة، كانت مفاجأة حياتي”. في مؤتمر صحفي. “أنا مندهش تمامًا بالطبع. لم يخطر ببالي مطلقًا بأي شكل من الأشكال أن هذا قد يكون أساسًا لجائزة نوبل“.

وقال إن اكتشافه (الذي يكمن وراء الرقائق الدقيقة المتقدمة الموجودة في العديد من تقنيات العصر الحديث، بما في ذلك الهواتف الذكية) يُستخدم لمزيد من التطوير لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

أجرى كلارك وديفوريت ومارتينيس تجارب تمكنوا من خلالها من إثبات نفق ميكانيكا الكم ومستويات الطاقة الكمية في دائرة كهربائية “كبيرة بما يكفي لحملها في يدك”، وفقًا لما ذكره أحد الباحثين. إفادة أصدرته الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم.

يمكّن النفق الكمي الجسيمات من المرور عبر حواجز تبدو غير قابلة للعبور. وذلك لأنه في فيزياء الكم توجد الجسيمات كموجات وجسيمات في وقت واحد؛ هذه الموجات هي الاحتمالات المتوقعة للجسيم الموجود في مساحة معينة.

تمامًا كما أن اصطدام الموجة بالفخذ في البحر سيؤدي إلى انتشار موجة أصغر إلى الجانب الآخر، فإن الجسيمات الموجودة على شكل أمواج لديها أيضًا بعض احتمالية التواجد على الجانب الآخر من الحاجز. وهذه القدرة هي التي تسمح للإلكترونات بالقفز بين طبقات المواد التي لا يمكن عبورها، على الأقل وفقًا لقوانين فيزيائية واسعة النطاق.

قبل اكتشاف الباحثين، تمت ملاحظة النفق الكمي في جسيمات مفردة، لكن سرعان ما تساءل الفيزيائيون عما إذا كانت جسيمات متعددة يمكنها النفق الكمي في وقت واحد. إحدى الطرق التي يمكن من خلالها القيام بذلك هي جعل المواد شديدة البرودة، وتحويلها إلى موصلات فائقة عن طريق حث الإلكترونات على الارتباط ببعضها البعض لتكوين ما يسمى “أزواج كوبر“.

تتبع أزواج كوبر قواعد ميكانيكية كمومية مختلفة عن تلك الخاصة بالإلكترونات المنفردة. فبدلاً من أن تتكدس فوق بعضها البعض لتشكل أغلفة طاقة، فإنها تتصرف مثل جسيمات الضوء، أو الفوتونات، التي يمكن لعدد لا حصر له منها أن يشغل نفس النقطة في الفضاء في نفس الوقت. إذا تم إنشاء ما يكفي من أزواج كوبر هذه في جميع أنحاء المادة، فإنها تصبح سائلًا فائقًا، يتدفق دون أي فقدان للطاقة من المقاومة الكهربائية.

ولتحقيق اكتشافهم، قام الباحثون بوضع اثنين من الموصلات الفائقة بين حاجز عازل رقيق، مما أدى إلى إنشاء إعداد تجريبي يعرف باسم تقاطع جوزيفسون. من خلال العمل معًا في منتصف الثمانينيات، قام العلماء بفحص وصلة جوزيفسون الخاصة بهم من التداخل قبل تغذية تيار كهربائي ضعيف فيها.

في البداية كان الجهد عبر هذه الدائرة صفرًا، مما يشير إلى عدم تدفق تيار عبر الحاجز. لكن بتكرار تجربتهم عدة مرات، سرعان ما وجد الباحثون أن الجهد الكهربي ظهر عبر الجهاز في نقاط زمنية مختلفة. أظهر هذا أن الإلكترونات كانت بالفعل تتنقل عبر النظام، وتعمل كجسيم واحد واسع النطاق.

أظهر إطلاق موجات ميكروويف لتمتصها الإلكترونات أنه على الرغم من كون حالتها الجماعية عيانية، إلا أن الإلكترونات المزدوجة كوبر لديها مستويات طاقة منفصلة ومكممة.

وكان لهذا الاكتشاف عدد من التطبيقات العملية في الفيزياء وخارجها. ويشار إلى النظام الجماعي على أنه ذرة اصطناعية، حيث تم تطوير العديد من التجارب والتقنيات الكمومية.

“إنه لأمر رائع أن نكون قادرين على الاحتفال بالطريقة التي تقدم بها ميكانيكا الكم منذ قرن من الزمان مفاجآت جديدة باستمرار” أولي إريكسونوقال رئيس لجنة نوبل للفيزياء في البيان. “كما أنها مفيدة للغاية، حيث أن ميكانيكا الكم هي أساس كل التكنولوجيا الرقمية.”