2025 Nobel Fizik Ödülü Bir Elektrik Devresinde Makroskobik Kuantum Tünelleme ve Enerji Kuantizasyonu

Ill. Niklas Elmehed - Nobel Prize Outreach

2025 Nobel Fizik Ödülü’nü John Clarke, Michel Devoret ve John Martinis kazandı. Araştırmacıların bir elektrik devresinde makroskobik kuantum tünellemeyi ve enerji kuantizasyonunu gösteren deneysel çalışmaları nedeniyle ödüle layık görüldüğü açıklandı.

Kuantum Mekaniksel Tünelleme

uantum mekaniğinin temelinde Schrödinger denklemi vardır. Erwin Schrödinger tarafından 1925 yılında türetilen bu denklem uzaya yayılan bir dalga fonksiyonunun zaman içinde nasıl değiştiğini matematiksel olarak formüle eder. Dalga fonksiyonu ilgili olduğu parçacığın kuantum durumunu tanımlar. O parçacık üzerinde yapılacak ölçümlerin sonuçları hakkında olasılığa dayalı bilgiler verir.

Türetilmesinden kısa süre sonra Schrödinger denkleminin bazı çözümlerinde dalga fonksiyonunun klasik fiziğin izin vermediği bölgelere de nüfuz edebildiği fark edilmişti. Bu durum bir parçacığın klasik fiziğin izin vermediği bölgelerde bulunmasının ya da bölgelerin içinden geçmesinin olasılıklar dâhilinde olduğunu gösteriyordu.

Klasik fizikte bir parçacığın bir potansiyel enerji bariyerini aşabilmesi için toplam enerjisinin potansiyel enerji bariyerinin yüksekliğinden büyük olması gerekir. Kuantum fiziğinde ise bir parçacığın yeteri kadar enerjisi olmasa bile bir potansiyel enerji bariyerini aşması mümkündür. Konuyu daha iyi anlamak için bir örnek ele alalım. Bir topu bir duvarın üzerine fırlattığınızı düşünün. Klasik fiziğe göre top duvara çarpıp geri dönecektir. Çünkü duvarı meydana getiren atomlar ve moleküller ile top arasındaki elektromanyetik etkileşimler aşılması imkânsız bir potansiyel enerji bariyeri oluşturur. Topun bu potansiyel enerji bariyerini aşacak kadar enerjisi yoktur. Kuantum fiziği ise her ne kadar yeterli enerjisi olmasa da topun duvara herhangi bir zarar vermeden duvarın içinden geçmesinin olasılıklar dâhilinde olduğunu söyler. Kuantum mekaniğine göre bir topu bir duvarın üzerine fırlatırsanız çoğu zaman geri yansıyacaktır ancak bazen duvarın karşı tarafına da geçebilir. Potansiyel enerji bariyerinin yüksekliği ve kalınlığı arttıkça topun duvarın içinden geçme olasılığı düşer.