2025 Nobel Fizik Ödülü, John Clarke, Michel Devoret ve John Martinis’e “elektrik devresinde makroskobik kuantum mekaniksel tünelleme ve enerji kuantizasyonunun keşfi” nedeniyle verildi. Bu prestijli ödül, kazanan üç bilim insanı arasında eşit olarak bölünecek 11 milyon İsveç Kronu tutarında bir maddi destek de içeriyor. Ödül töreni, geleneksel olarak olduğu gibi, 10 Aralık’ta Stockholm’de gerçekleştirilecek.
İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi üyeleri, bu sabah yaptıkları duyuruyla fizik dünyasına bu önemli haberi ulaştırdı. Nobel Fizik Komitesi Başkanı Olle Eriksson, Uppsala Üniversitesi’nden yaptığı açıklamada, kuantum mekaniğinin modern teknolojinin temelini oluşturduğunu vurguladı.
Clarke, Devoret ve Martinis, kuantum tünelleme olgusunu mikroskobik dünyadan alıp süperiletken çipler üzerine taşımaları sayesinde ödüle layık görüldüler. Bu sayede, fizikçilerin kuantum fiziğini daha detaylı inceleme ve nihayetinde kuantum bilgisayarlarının geliştirilmesi mümkün hale geldi. Üçlünün çalışmaları, bilimsel açıdan taşıdığı önemin yanı sıra, süperiletken devreler kullanan yeni nesil ticari kuantum bilgisayarlarının gelişimine de zemin hazırladı.
John Clarke, bu çalışmaların cep telefonlarının çalışma prensiplerinin temelinde yattığını belirtti. Kuantum mekaniği, atom altı parçacıkların evrenindeki olayları tanımlayan bir bilim dalı. Bu olaylar, optik mikroskoplarla bile görülemeyecek kadar küçük ölçekte gerçekleşiyor ve genellikle “mikroskobik” olarak adlandırılıyor. Bu dünya, çok sayıda parçacıktan oluşan makroskobik olaylarla tam bir zıtlık oluşturuyor. Atomların üzerindeki “büyük” dünyada ise bambaşka kurallar ve olgular geçerli.
Örneğin, bir topu duvara attığımızda topun sekerek bize geri döneceğini biliriz. Ancak kuantum dünyasında durum böyle olmak zorunda değil. Parçacıklar bazen klasik fizik yasalarına göre aşmaları mümkün olmayan bariyerlerin içinden geçerek diğer tarafta belirebilirler. İşte bu olaya tünelleme deniyor.
Bu yılki Nobel Fizik Ödülü, kuantum tünellemenin çok sayıda parçacığı içeren makroskobik ölçekte de gözlemlenebileceğini gösteren deneylere verildi. 1984 ve 1985 yıllarında Clarke, Devoret ve Martinis, Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley’de bir dizi deney gerçekleştirdiler. İki süperiletken (belirli bir sıcaklığın altına soğutulduğunda elektriği hiç direnç göstermeden ileten maddeler) kullanarak bir elektrik devresi oluşturdular. Bu süperiletkenleri, hiç akım iletmeyen ince bir malzeme tabakasıyla ayırdılar. Böylece, iki süperiletkenin arasında “akım geçirmeyen” çok ince bir bariyer oluştu.
Süperiletkendeki tüm yüklü parçacıklar, yani elektronlar tek tek değil, toplu halde, sanki hepsi tek bir “süper parçacıkmış” gibi hareket ediyordu. Deneyler, öncelikle bu olgunun kontrol edilip incelenebileceğini gösterdi. Deneydeki bu süper parçacık, devrenin içinde bir enerji çukuruna sıkışmış durumdaydı. Burada akıma rağmen gerilim (voltaj) yoktu, bu duruma “sıfır voltaj durumu” deniyordu. Klasik fiziğe göre süper parçacığın bu durumdan çıkması imkansızdı çünkü yeterli enerjisi yoktu. Ancak burada kuantum tünelleme devreye girdi. Bu süper parçacık, enerji bariyerini “delerek” o durumdan kurtulabiliyordu. Yani tünelleme yaparak sıfır voltaj durumundan çıkıyor ve bir voltaj oluşuyordu. Böylece kuantum tünellemenin dev bir sistemde bile gerçekleşebileceği gösterilmiş oldu.
Bu durumu daha iyi anlamak için çukurdaki bir topu hayal edebiliriz. Normalde top, çukurun kenarını aşmak için yeterli enerjiye sahip değilse orada kalır. Ama kuantum dünyasında topun kenarların içinden geçip diğer tarafa “ışınlanma” şansı var. Bu deney, kuantum tünellemenin sadece tek atom veya elektron gibi küçük parçacıklarda değil, birçok parçacığın birlikte davrandığı büyük sistemlerde (makroskobik ölçekte) de gerçekleştiğini göstermek için yapıldı.
Tek tek parçacıkların tünelleme yeteneği zaten biliniyordu. Örneğin, 1928’de fizikçi George Gamow, bazı ağır atom çekirdeklerinin belirli bir şekilde bozunma eğilimi göstermesinin nedeninin tünelleme olduğunu fark etmişti. Nobel Ödülü alan üç fizikçinin bu süreci ortaya çıkardıkları deneyler ise 1960’larda başladı. Bu çalışmalar, kuantum bilgisayarların temelini oluşturan süperiletken devrelerin geliştirilmesinin yolunu açtı. Ayrıca süperiletken sensörler ve manyetometrelerin temelinde de bu süreç yatıyor. Bu sensörler ve manyetometreler, günümüzde kalp ve beyin aktivitelerindeki zayıf manyetik alanları ölçmek için tıpta (örneğin MEG – Magnetoensefalografi cihazlarında) kullanılıyor. Jeofizikte yeraltı manyetik alan değişimleri bu şekilde ölçülüyor ve malzeme biliminde ultra küçük manyetik sinyaller böylece tespit ediliyor. Bu çalışmalar, maglev trenleri (manyetik levitasyonlu trenler), hastanelerdeki MRI cihazları ve parçacık hızlandırıcıların geliştirilmesiyle de bağlantılı. Cep telefonlarında da bu kavramların dolaylı etkisi bulunuyor. Telefonlar doğrudan süperiletken kullanmasalar da, bu araştırmaların temeli üzerine inşa edilen teknolojileri kullanıyorlar. Örneğin her bir işlemcinin içinde kuantum tünelleme olasılıkları göz önünde bulundurularak tasarlanmış yapılar mevcut.
