✨

Одно из крайне интересных применений сверхпроводимости - детектирование одиночных фотонов в инфракрасном и оптическом диапазонах. Для этого придуман прибор - сверхпроводниковый одноофотонный детектор. Он выполнен в виде тонкой проволочки, которая находится в состоянии сверхпроводимости, но по ней в то же время протекает заметный ток, слегка не достигающий значения критического тока - того тока, про котором сверхпроводимость уже будет разрушена ⚡️

Как же работает детектор? Фотон - элементарная частица света. Энергия от света к веществу передается только порциями: в веществе можно поглотить либо один фотон, либо не поглощать вовсе. Оказывается, что энергии всего лишь одного фотона, поглощенного проволочкой, достаточно для того, чтобы в ней образовалось горячее пятно, в котором сверхпроводимость исчезла совсем. Пятно за счёт термализации быстро растягивается, перекрывая все сечение проволоки. Это означает, что в пятне мгновенно выделяется немалое количество джоулева тепла -
I^2 * R, как никак. По этой причине, на выходе проволоки возникает импульс напряжения, легко регистрируемый обычными электрическими приборами.

Удивительно высокая эффективность детектора - в среднем она достигает 90% - делает его уникальным прибором для научных исследований и незаменимым компонентом, например, квантовых вычислительных систем на оптических фотонах.

Тем временем, пока мы тут разбирались с физикой, Нобелевская премия присуждена, практически, за тематику нашего канала 😁 - за открытие макроскопического квантового туннелирования. Премия присуждена Джону Кларку, Мигель Деворе и Джону Мартинису.

❄️❄️❄️

Макроскопическое квантовое туннелирование - это крайне интересное явление, характерное для туннельных сверхпроводниковых контактов. Связано оно с тем, что конденсат носителей заряда в сверпроводнике ведёт себя как когерентная квантовая система, и поэтому может туннелировать через барьер - как будто бы это одна частица!

Инфоповод обязывает, и поэтому расскажем о физике сверхпроводниковых цепей значительно подробнее - для освещения этой темы и запускался канал.

В своей работе "Квантование энергетических уровней в джозефсоновском контакте при постоянном токе и нулевом напряжении" от 1985 года лауреаты показали, что конденсат носителей заряда - куперовских пар - в сверхпроводнике ведёт себя как единая квантовая система.

Для этого они сделали джозефсоновский контакт, в котором протекал ток при нулевом напряжении. Хотелось проверить, что эта система полностью эквивалентна по своей динамике одной квантовой частице в потенциальной яме некоторой формы. Как известно из простейшей квантовой механики, там должны быть квантованные уровни энергии, и более того, квантовая частица может туннелировать. Поэтому к системе, условно, подключали вольтметр и измеряли скачки напряжения на переходе, возникающие при туннелировании через потенциальный барьер. Скорость туннелирования резко возрастала, когда контакт облучался СВЧ полем, попадавшим в резонанс между квантовыми уровнями. Система переходила на верхние уровни, и там скорость квантового туннелирования через барьер всегда сильно быстрее, особенно если яма не глубокая и там всего помещается 3-4 собственных уровня.

... Понимаем, что тема сложная, и за один раз понять трудно, но мы попытались объяснить 😊

При всем стремлении организаторов к диверсификации, нам нетрудно заметить, что премия исключительно за эксперимент в физике твердого тела, как в этом году, вручается за последние лет 20 крайне редко. Пожалуй, в предыдущий раз это произошло в 2010 году, когда Гейм и Новоселов получили премию за новаторские эксперименты с истинно двумерным материалом - графеном.

История с премией за графен оказалась достаточно многоуровневой и поучительной для того, чтоб мы поговорили о ней подробнее. Безусловно, открытие графена выглядело ярко - не лишним будет даже сказать, что оно произвело некоторый бум в физике конденсированного состояния, и сопровождалось целым рядом красивых физических эффектов. Однако, первые работы по полевому эффекту в графене относились к 2005-06 году. Для физики в целом и для Нобелевской премии в частности, срок в 4 года до нелепости короток, если речь идёт о промежутке между открытием и его столь высокой оценкой. Можно даже предположить, что столь скорое вручение проиллюстрировало некоторый кризис в физике конденсированного состояния - "ну что, здесь не так много открытий, давайте по твердому телу дадим хоть за что-то".

А что было дальше? Поток кадров в " графеновую науку" вырос в десятки и сотни раз - только ленивый не хотел заниматься графеном и сходными материалами в тот момент. Британцы построили в Манчестере институт графена, ежегодно выходили сотни и тысячи теоретических работ на тему транспорта и разных других явлений в графене. Кругом гремели пафосные речи о скорой революции в микроэлектронике: уникальный тонкий и прозрачный материал с металлической проводимостью - не чудо ли это! Так произошло ли графеновое чудо на самом деле?

Если коротко - и да, и нет. 🤷

Почему да - потому что со временем действительно выявились и раскрыли себя новые физические явления в графеноподобных материалах. Из последнего, наиболее интересного, нужно выделить транспорт электронов с необычайно высокой вязкостью, а также открытие сверхпроводимости в двухслойном графене (не наведенной, а внутренней!) при определенном (правда, очень точно заданном) значении угла, на который один лист повернут относительно другого. Из этого пытаются выделить целое направление - Ван Дер ваальсовы гетероструктуры, когда вы слой за слоем накладываете атомно тонкие листы различных материалов и создаёте материал, где можете получать совершенно разные электрические свойства. В общем, физика нескучная, все здорово.

Почему нет - откровенно говоря, бума в практических приложениях не случилось. Если упростить, то оказалось технологически трудным делом сделать большой лист графена с высокой подвижностью носителей заряда, а в микроэлектронике подвижность наиболее ценится - потому что она напрямую влияет на быстродействие вашего транзистора. Некоторые коллективы работают над терагерцовыми детекторами на основе графена, но это пока только концепции и не очень понятно, в чем графен превосходит другие полупроводники с хорошим фотооткликом, технология роста и обработки которых хорошо развита и вы можете получать двумерный электронный газ очень высокой подвижности.

Завершая разговор о графене, подмечаем, что прошло 20 лет - а мы до сих пор не знаем истинного потенциала как в физике графена, так и в его приложениях. И в общем, не очень-то это и удивительно. Физика - наука долгая.

Сухим канцелярским языком сформулируем такой вопрос: оправданы ли текущие достижения в этой тематике огромным количеством кадровых и финансовых вложений? Отвечать не станем, поскольку любая оценка будет сильно субъективной, и если вам стало очень интересно - вы что-то прочитаете, разберётесь и будете иметь собственное мнение по этому вопросу 😊

Возвращаемся к макроскопическому квантовому туннелированию в сверхпроводниках. Если кто уже забыл - за это присуждена нобелевка по физике в этом году 😅😄

Так вот, эксперимент, который мы немножко уже описывали, сделан почти 40 лет назад - и хочется спросить: что, это такая старая физика, которая признана новой и перспективной?

И все ж таки получается, что физика очень новая. Потому как людям без физмат образования эти вопросы совершенно неизвестны, но даже и людям с профильным образованием они известны только в том случае, если... наверное, вы ждете окончания фразы типа "...если они занимаются сверхпроводимостью?"

Нет, даже этого будет недостаточно - современная физика сверхпроводимости крайне обширна - и это здорово. Сверхпроводящие сильноточные магниты, болометры на основе джозефсоновских контактов, СКВИД-магнитометрия, детекторы одиночных фотонов на основе тонких проволочек, RSFQ-электроника, сверхпроводниковые кубиты, ВТСП-материалы - и это только основные темы внутри физики сверхпроводимости. Специалисты в каждой из этих довольно узких областей немного ориентируются и в остальных, но технические детали не в своей области представляют себе очень приблизительно. Крайне узкая специализация - вообще, яркая отличительная черта современной физики. Корни и ствол, большие ветки и даже листья этого "дерева физики" подчас очень хорошо изучены, и за редким исключением, практикующий физик довольствуется рассматриванием вновь набухающих почек или микроузорами на нежных молодых листочках, не имея никакого представления о том, вырастет ли на этом месте хотя бы небольшая ветка - а если сказать честно, даже и не надеясь на это.

Не обошлось тут, конечно же, и без кота Шредингера....

😸😾🙀

Если вам, так же как и нам, надоело упоминание этого несчастного кота по поводу и без, то спешим пояснить, что к нобелевскому эксперименту по туннелированию эта история имеет прямое отношение, и обойти ее никак не удастся, как бы этого ни хотелось.

Но сначала про сам парадокс. Единственно правильный вариант - начать с точной цитаты Шредингера. В своей обзорной работе "Современное состояние квантовой механики", вышедшей в 1930 году в журнале Die Naturwissenschaften, Шредингер много рассуждает о вопросе интерпретаций квантовой механики, в частности, пытаясь ответить на вопрос, может ли квантовомеханическая неопределенность в значении переменных проявляться и для макроскопических систем? Немного порассуждав о том, что никто и никогда не может знать, где и как находится альфа-частица в отдельно взятом ядре, и только в момент измерения уже вылетевшей частицы мы можем узнать о ней что-то определенное, Шредингер пытается проиллюстрировать, что в макромире такая неопределенность либо невероятна, либо, как минимум, выглядит очень парадоксально. Посмотрим, какой пример рождается из этого:

Можно также сконструировать до комичного парадоксальные примеры. Представим себе кота, запертого в стальной комнате вместе с такой адской машиной (защищенной от воздействия на нее кота): небольшое количество радиоактивного материала помещается внутрь счетчика Гейгера, причем материала столь мало, что за один час распадается либо один атом, либо же ни одного атома - с равной вероятностью. Если атом распался, то срабатыванием счетчика при помощи реле активируется механизм, разбивающий контейнер с синильной кислотой, отравляющей кота. Если эта система предоставлена самой себе в течении часа, можно однозначно сказать, что кот жив только тогда, когда ни один атом не распался. Первый же распад атома отравляет кота. В терминах пси-функции, полная система представляется как смесь двух состояний, в одном из которых кот жив, а в другом - мертв.

Для эти х случаев типичным является то, что изначально небольшая неопределенность на уровне одиночных атомов трансформируется уже в довольно грубую неопределенность, которая затем явно может быть устранена прямым наблюдением. Это предохраняет нас от рассмотрения "размытой" модели реального мира. В самой по себе, в этой модели нет ничего неопределенного или противоречащего. Это подобно разнице между размытой, плохо сфокусированной фотографией, и четкой фотографией облаков или клубов тумана.

Обсуждение этих вопросов явно опередило свое время, и опираясь на экспериментальные возможности, невозможно было сказать, справедливо ли задавать вопрос о квантовой неопределенности макроскопически больших систем. Необходимо было дождаться открытия макроскопических квантовых явлений - сверхтекучести и сверхпроводимости. Но даже существование сверхпроводников сам по себе не означает, что возможно приготовить систему, в которой явно будет видна квантовая неопределенность макроскопических параметров (вроде объема или давления!).

Уже с точки зрения современной квантовой механики, довольно большой ошибкой при описании парадокса кота Шредингера являются рассуждении о том, что "кот находится в суперпозиции живого и мертвого состояния". Во времена Шредингера эта разница еще не была четко выявлена, но есть принципиально разные состояния квантовых систем:
1) чистые суперпозиционные состояния - в них не определено значение некоторых переменных, но при этом состояние задано точно, в нем самом нет никакой неопределенности
2) смешанные (или ансамблевые) состояния - имеется обычная классическая (как при подбросе монетки) неопределенность того, какое состояние имеет система. При этом, наблюдаемые также не имеют точного значения.

Так вот, если мы напрямую проведем эксперимент с котом в версии Шредингера (зоозащитники, простите, мы только мысленно), то состояния суперпозиции там не возникает в любом случае. Неопределенность "живой кот или мертвый" - чисто классическая, потому что атом либо распадается, либо нет.

Продолжение следует...

Двойное дно квантового туннелирования 👻👻🥹

Кот Шредингера - это прекрасно, и сейчас поговорим в этом контексте снова о сверхпроводниковых системах и обсудим основную сложность, возникающую у неискушённых популяризаторов науки в понимании нобелевского эксперимента.

Макроскопическое квантовое туннелирование, за который дана премия по физике в 2025 году, очень легко может запутать не только читателей научпоп-новостей, но даже и некоторых физиков, хорошо разбирающихся в своей области, но далеких именно от работы со сверхпроводниками.

Все дело в том что эффект туннелирования конденсата куперовских пар через очень тонкий изолирующий барьер уже был блестяще предсказан Брайаном Джозефсоном в 1963 году, и нобелевскую премию за этот эффект он почти сразу же и получил. Но в чем здесь сложность? Безусловно, вы можете сказать что эффект Джозефсона - это УЖЕ эффект макроскопического квантового туннелирования, поскольку все ингредиенты этого блюда у вас есть:
- конденсат заряженных частиц - совокупность электронных пар, ведущих себя как единое целое;
- этот объект макроскопический, то есть составлен из многих миллиардов частиц и более;
- он может туннелировать как целое через изолирующий барьер. Это действительно макроскопическое квантовое туннелирование, в полном смысле этого слова! Оно происходит постоянно, если барьер достаточно тонкий, и при некоторых условиях приводит к возникновению ненулевого тока через данный барьер.

Ещё раз удивимся: эффект Джозефсона - это уже и макроскопический и квантовый и конечно же туннельный эффект!

Но есть и второе дно у этой системы - некая глубинная сущность... Когда всю систему - туннелирующие электроны, и ток, и даже сам переход вы начинаете рассматривать как отдельную квантовую частицу. Для любой системы можно определить энергетический потенциал, в котором она живет, и получится совершенно абстрактная задача которая может давать квантовое решение. То есть, система может описываться квантовыми уравнениями и существовать в некоторых квантовых состояниях. Как это происходит? Оказывается что в этом потенциале есть яма, и в этих ямах система сидит на квантовых уровнях. Но так бывает не всегда: если параметры перехода подобраны неверно, ничего квантового в этой системе нет. А если что-то есть - вот и получается что-то вроде второго дна: поведение всей системы перехода неклассическое, и мы уже можем решать уже следующую задачу о туннелировании всей этой частицы через барьер эффективного потенциала.

И да - это абсолютно похоже на то, как если бы кот Шредингера проскакивал через стенку коробки! Шредингер даже не смел о таком подумать. Конечно, кот при этом не обязан сохранить свое квантовое состояние - читатель, попробуй проскочи через стену, тебя тоже может немного потрепать 😂 Ну, есть дополнительные сложности с тем, что кот живой, а наш переход все таки нет, но это уже следующий разговор 😁

Именно это второе дно было названо "Макроскопическим квантовым туннелированием" - с терминологией в физике бывает проблемно... И результат такого эксперимента было крайне интересно увидеть. Были некоторые оживленные дебаты на эту тему. Теоретики довольно сильно спорили, будет ли это все работать. И сделав очень маленький контакт с очень точно контролируемым током, команда из трех экспериментаторов смогла этот эффект зафиксировать. За что и получила Нобелевскую премию в 2025 году 🏆

А вот ещё интересный взгляд:

Ежегодный отчет McKinsey Technology Trends Outlook 2025 определяет 13 ключевых технологических трендов, формирующих новые рынки и открывающих инвестиционные возможности. Анализ опирается на данные о деловом интересе, инновациях, венчурных инвестициях и кадровом обеспечении.

Особое место в отчете занимают квантовые технологии. Несмотря на то, что их массовое внедрение еще не состоялось, в будущем они обещают революционные изменения в финансах, химии, здравоохранении и транспорте. Разработчики активно работают над повышением точности и масштабируемости квантовых систем. Однако, технические сложности и высокая стоимость квантовых вычислений по сравнению с классическими пока сдерживают их бизнес-привлекательность. Серьезным препятствием также является критический дефицит квалифицированных специалистов: нехватка экспертов в области квантовых вычислений достигает 80%.