▲約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯。物理圖/諾貝爾獎委員會官網(wǎng)

在量子力學(xué)誕生百年之際，學(xué)家信成2025年10月7日，獲諾瑞典皇家科學(xué)院宣布，獎們將2025年諾貝爾物理學(xué)獎授予約翰·克拉克、讓微米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯三名量子物理學(xué)家，波通以表彰他們在電路中實現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)和能量量子化方面的名量貢獻(xiàn)。

量子力學(xué)在1925年誕生，物理今年正值百年。學(xué)家信成諾貝爾物理學(xué)委員會主席奧勒·埃里克松當(dāng)天表示，獲諾百年來量子力學(xué)不斷帶來新的獎們驚喜，它大有用處，讓微為數(shù)字技術(shù)提供了基礎(chǔ)。波通

電路中的名量宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化是什么東西，有什么用，相信很多人仍不知就里，甚至滿頭霧水。

按照頒獎?wù)叩慕忉專衲甑闹Z貝爾獎獲得者在芯片上的實驗揭示了量子物理學(xué)的實際應(yīng)用，他們展示了量子力學(xué)隧道效應(yīng)和量子能級可以操控于掌中。

發(fā)現(xiàn)微觀粒子具有“穿墻術(shù)”

簡單地看，電路中的宏觀量子隧道（隧穿）效應(yīng)是指宏觀物體（如超微顆粒的磁矩或磁通量）表現(xiàn)出穿過能量勢壘的量子行為。這種效應(yīng)在納米尺度下比較顯著，限制了微電子器件的微型化和信息存儲設(shè)備的信息保存時間。

因此，量子隧道效應(yīng)，就是指電子等微觀粒子能夠穿越經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為不可逾越的能量勢壘的神奇特性。這種現(xiàn)象可以通俗地解釋為“穿墻術(shù)”，在現(xiàn)實的物理世界上是無法實現(xiàn)的，因為電子本來不具備足夠能量克服勢壘，就如同人不能穿墻而過一樣。但在量子世界，電子有一定概率以波的形式穿越勢壘，就像挖了一條隧道一樣。

能量量子化是量子理論的核心概念之一，由普朗克在研究黑體輻射時提出，指的是，微觀系統(tǒng)中能量的變化是以不連續(xù)的、離散的最小單位，即量子的形式進(jìn)行。

就像樓梯的臺階一樣，能量只能存在于特定的能級（能量值）上，而不能存在于臺階之間的任意高度。這與經(jīng)典力學(xué)中能量可以連續(xù)變化的觀念不同。

能量量子化的基本要義是，能量是以最小的基本單位——量子——來傳遞的。能量的吸收或釋放必須是這些能量子的整數(shù)倍。

量子力學(xué)允許粒子使用被稱為隧道效應(yīng)的過程直接穿過屏障。一旦涉及大量粒子，量子力學(xué)效應(yīng)通常就會變得微不足道。今年獲獎?wù)叩呢暙I(xiàn)就在于，通過實驗表明，量子力學(xué)特性可以在宏觀尺度上具體化。

獲獎?wù)吡硪粋€重要貢獻(xiàn)是，過去認(rèn)為，宏觀的粒子狀系統(tǒng)最初處于電流流動而沒有任何電壓的狀態(tài)。系統(tǒng)被困在這種狀態(tài)中，仿佛再無法跨越障礙。通過實驗，研究者發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)通過隧道效應(yīng)設(shè)法擺脫零電壓狀態(tài)，展示了量子特性。而系統(tǒng)的變化狀態(tài)是通過電壓的出現(xiàn)來檢測的。

同時，獲獎?wù)哌€證明該系統(tǒng)的模式是量子化的，這意味著宏觀的粒子狀系統(tǒng)只吸收或發(fā)射特定量的能量。

讓微波通信成為可能

宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化在生活和工作中的實際意義在于，它們可應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備，如隧道二極管和超導(dǎo)量子干涉器中等。

同時，量子隧道效應(yīng)和能量量子化不僅是半導(dǎo)體（智能手機、計算機等電子設(shè)備的核心部件）的工作原理，也是太陽核聚變產(chǎn)生光與能量的核心機制，并且為半導(dǎo)體、量子計算機、微波通信等未來的技術(shù)發(fā)展提供關(guān)鍵的理論支撐。

隧道二極管的應(yīng)用就利用了宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化原理，未來大有前景。隧道二極管，是一種具有負(fù)微分電阻特性的半導(dǎo)體器件，目前在生活中，不如整流二極管、發(fā)光二極管等常見，但在高速電子設(shè)備中具有重要應(yīng)用，如在射頻 (RF) 振蕩器、高頻開關(guān)和變頻器中等，都有應(yīng)用。

而且，隧道二極管在微波通信、雷達(dá)系統(tǒng)以及其他高速電子儀器中，也有極為重要的作用，是實現(xiàn)高頻信號生成和處理的重要元件。其應(yīng)用于微波通信，可能是未來生活的另一個發(fā)展方向，正如今天的光纖通信一樣。

而早在1966年，華裔科學(xué)家高錕便發(fā)表了題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長途及高信息量光通信所需介質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。

之后的20世紀(jì)70年代，隨著半導(dǎo)體激光器和微處理器的出現(xiàn)，光纖技術(shù)取得了關(guān)鍵突破，光纖通信快速發(fā)展，20世紀(jì)80年代光纖通信開始廣泛應(yīng)用于電信行業(yè)。今天，我們所有人使用的寬帶就是光纖通信成果的應(yīng)用。為此，高錕與其他兩位科學(xué)家獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎。

而現(xiàn)在的宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化，則可能超越光纖通信，發(fā)展到微波通信。這是一種綜合技術(shù)，是將信號以頻率在0.3GHz至300GHz的微波作為載體進(jìn)行通信信號傳輸。其憑借的理論就是宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化。一旦理論突破并轉(zhuǎn)化到技術(shù)，便可以提供更好更快的無線寬帶，還可以作為手機、電視、通信衛(wèi)星的有效信號傳遞。

研究成果將開創(chuàng)未來生活

量子力學(xué)隧道效應(yīng)，在太陽核聚變中同樣作用巨大。

太陽通過核聚變產(chǎn)生的能量會以光子和粒子的形式從太陽的核心向外傳輸，經(jīng)過太陽的多個層次后，最終以陽光和微粒動能的形式脫離太陽。太陽核聚變，可以維持地球上包括人在內(nèi)的所有生命活動，為地球提供光和熱，而且太陽核聚變也是永恒而強大的能量源。

太陽核聚變正是要利用量子力學(xué)的隧道效應(yīng)實現(xiàn)，這種效應(yīng)允許像質(zhì)子這樣的粒子“穿過”能量壁壘。

這個過程不僅使得太陽在相對低的溫度下能夠發(fā)生核聚變，而且其發(fā)生的頻率限制了聚變的速率，從而保證太陽能夠維持?jǐn)?shù)十億年的壽命。

今年諾貝爾物理學(xué)獎表彰的宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化研究的重要成果，將開創(chuàng)人類未來的生活。盡管目前看起來還比較遙遠(yuǎn)，但在半導(dǎo)體、量子計算機、微波通信、手機等方面的應(yīng)用，我們已經(jīng)看見了曙光。

撰稿 / 張?zhí)锟保破兆骷遥?/p>

編輯 / 遲道華

校對 / 付春愔

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