Что такое «квантово-механическое туннелирование» и почему оно так важно для современной науки?

Профессор кафедры радиотехники и электродинамики М.В. Давидович объясняет, за что Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис получили Нобелевскую премию по физике.
В 2025 году Нобелевскую премию по физике присудили «за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи».
Открытие, сделанное в1980-е годы, стало первым экспериментальным подтверждением того, что квантовые эффекты могут проявляться не только в микромире, но и в макроскопических системах– в сверхпроводящих электрических цепях.
М.В. Давидович, профессор кафедры радиотехники и электродинамики:
«Туннели рование – это процесс, при котором частица проходит сквозь энергетический барьер без потери энергии, хотя её собственная энергия может быть меньше высоты этого барьера. В классической физике такое невозможно,а вот квантовая механика не ограничивает область туннелирования: оно может происходить и в макроструктурах, если длина свободного пробега электронов очень велика, например, при низких температурах или в сверхпроводящих материала».
По словам учёного, Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис использовали сверхпроводники, разделённые тонкими слоями непроводящего материала – так называемые джозефсоновские переходы. Это позволило наблюдать явление туннелирования на уровне электрических цепей и контролировать возникающее напряжение.
Профессор подчёркивает:
"Чем ниже температура, тем более «макроскопическим»становится эффект. Поэтому подобные структуры перспективны для квантовых компьютеров, где используются температуры ниже одного кельвина. Для электроники будущего это можно использовать как получение и управление существенными плотностями тока (туннельные и резонансно-туннельные диоды и транзисторы).
С физической точки зрения открытие не стало неожиданностью – квантовая механика давно предсказывала возможность такого явления. Однако именно экспериментальное подтверждение макроскопического туннелирования стало отправной точкой для развития новых технологий.
Главное сегодня – не сама идея, а развитие криогенных и сверхпроводящих технологий. Если они реализованы, это уже не фундаментальная наука, а практическая инженерия. Такие цепи позволяют управлять большими плотностями тока, а значит, открывают путь к созданию туннельных и резонансно-туннельных диодов и транзисторов нового поколения».
В Саратовском университете активно развиваются направления, близкие к тематике Нобелевской премии: спин-орбитроника, функциональная магноника, физика наноструктур и квантовых систем. Здесь исследуют, как квантовые эффекты могут использоваться для управления потоками информации, энергии и излучения в микро- и наноразмерных устройствах.
М.В. Давидович:
«Принципиально новым является то, что следует развивать криогенные и сверхпроводящие технологии. Если они есть, это уже нефундаментальная физика, а практическая реализация».