Nobelova cena za fyziku 2025
Letošní laureáti – John Clarke, Michel H. Devoret a John M. Martinis – posunuli hranice mezi mikroskopickým a makroskopickým světem. Ve svých experimentech dokázali, že podivné jevy známé z kvantové fyziky, které obvykle platí jen pro jednotlivé atomy či částice, lze pozorovat i v předmětech dost velkých na to, aby se vešly do ruky.
Využili k tomu supervodivý elektrický systém, který se dokáže chovat způsobem odporujícím našim běžným představám o světě: může se „tunelově“ přemístit z jednoho stavu do druhého, jako by prošel přímo skrz zeď. Zároveň vědci prokázali, že tento systém pohlcuje a vyzařuje energii po přesně určených dávkách, přesně tak, jak předpovídá kvantová teorie.
Tím otevřeli cestu k lepšímu porozumění tomu, jak lze kvantové jevy využívat v reálných, hmatatelných systémech – například v budoucích kvantových počítačích.
Cooperovy páry
V běžném kovu teče elektrický proud díky elektronům, které se mohou volně pohybovat skrz celý materiál. Občas se ale stane něco zvláštního: elektrony, které se jinak odpuzují, se za určitých podmínek spojí do dvojic a začnou se pohybovat dokonale sladěně – bez jakéhokoli odporu. Materiál se v tu chvíli stává supervodičem a tyto elektronové dvojice nazýváme právě Cooperovy páry.
Cooperovy páry se chovají úplně jinak než jednotlivé elektrony. Samostatné elektrony jsou „individualisté“ – mají silnou osobnost a drží si odstup. Dva elektrony se stejnými vlastnostmi nemohou být na stejném místě, což známe třeba z atomů, kde se uspořádávají do různých energetických hladin neboli slupek.
Když se ale elektrony spojí do Cooperových párů, část své individuality ztrácejí. Dva takové páry mohou být zcela totožné a dohromady tvoří jednotný kvantový systém, který lze popsat jedinou vlnovou funkcí. Ta určuje, s jakou pravděpodobností se systém nachází v určitém stavu a s určitými vlastnostmi – a právě tato vlnová funkce hraje klíčovou roli v experimentech letošních nositelů Nobelovy ceny.
Jak si to představit?
Zjednodušeně si to můžete představit takto: za běžných okolností se elektrony v materiálu pohybují chaoticky, narážejí do překážek a tím vzniká elektrický odpor – proto se třeba drát při průchodu proudu zahřívá. Ale v supervodiči se dva elektrony spárují a začnou se pohybovat v dokonalé souhře, jako taneční pár na hladkém parketu. Díky této spolupráci přestanou narážet a proud může téct bez ztrát. Právě tyto páry – Cooperovy páry – jsou klíčem k tomu, proč supervodiče fungují tak neobyčejně.
