“per la scoperta dell’effetto tunnel quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico”.
Il premio Nobel per la Fisica 2025 assegnato a John Clarke, a Michel H. Devoret e a John M. Martinis “per la scoperta dell’effetto tunnel quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico”.
Le ricerche che hanno condotto al prestigioso riconoscimento risalgono agli anni 1984 e 1985 presso il laboratorio dell’Università della California, Berkeley. Qui i tre fisici condussero una serie di esperimenti su circuiti elettrici costruiti con materiali superconduttivi. La peculiarità dei loro circuiti, della dimensione di circa un centimetro, era la separazione delle componenti superconduttive tramite un sottile strato nanometrico di materiale isolante, dando origine a quella che si chiama comunemente giunzione di Josephson. Grazie a questi circuiti superconduttori Clarke, Devoret e Martinis hanno realizzato, controllato e studiato la corrente elettrica macroscopica di Josephson dovuta al comportamento collettivo coerente delle particelle cariche nel superconduttore, e che fluisce in assenza di tensione applicata. Ma c’era di più: un’analisi accurata mostrava che questa corrente risultava in qualche modo “intrappolata” in uno specifico stato energetico, evidenziando la presenza di una “barriera” che impediva il passaggio ad altri stati energetici.
La natura quantistica di questa corrente venne chiaramente rivelata quando i tre nuovi premi Nobel progettarono e realizzarono un esperimento per indurre una sua transizione ad un nuovo stato energetico. Agendo opportunamente sul circuito, misurarono un voltaggio che prima della transizione non era presente e che era possibile spiegare solo ricorrendo ad un fenomeno squisitamente quantistico: l’effetto tunnel eseguito dalla corrente macroscopica attraverso la barriera. Se, da un lato, il fenomeno dell’effetto tunnel non era una novità ed era già stato riscontrato in altri sistemi fisici, dall’altro, Clarke, Devoret e Martinis furono i primi ad osservarlo in un sistema fisico macroscopico quale era la corrente nel loro circuito elettrico.
Un’altra proprietà che furono in grado di osservare è la quantizzazione dei livelli energetici a cui ha accesso la corrente macroscopica. Nei loro esperimenti, i tre fisici scoprirono che, quando il circuito superconduttivo veniva illuminato con una radiazione elettromagnetica nelle microonde, assorbiva solo quantità di energia ben definite, corrispondenti alle differenze tra i livelli energetici discreti accessibili alla corrente macroscopica. La quantizzazione dei livelli energetici è una proprietà ben nota nei sistemi microscopici, come nel caso degli atomi, ma mai prima di questi esperimenti era stata osservata in un sistema macroscopico.
Gli esperimenti condotti negli anni ’80 da John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis hanno dato origine a un filone di ricerca estremamente prolifico dedicato allo studio delle proprietà quantistiche dei circuiti elettrici superconduttivi e alle loro applicazioni nel contesto delle scienze e tecnologie dell’informazione quantistica. Questo ambito di ricerca, oggi noto come circuit QED (elettrodinamica quantistica dei circuiti elettrici), rappresenta una parte fondamentale dello studio delle piattaforme sperimentali in grado di manipolare informazione codificata in sistemi quantistici, inclusa la realizzazione di computer quantistici basati su qubit superconduttivi.
