El Premio Nobel de Física 2025 fue otorgado el martes a John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis por el descubrimiento del efecto túnel mecánico cuántico macroscópico y la cuantificación de la energía en un circuito eléctrico, anunció la Real Academia Sueca de Ciencias.
Los tres científicos, todos afiliados a instituciones estadounidenses, condujeron entre 1984 y 1985 una serie de experimentos con un circuito eléctrico en los que demostraron efectos de la mecánica cuántica en un sistema lo suficientemente grande como para sostenerse en la mano. Clarke, de nacionalidad británica, es profesor en la Universidad de California, Berkeley; Devoret, de nacionalidad francesa, trabaja en la Universidad de Yale y la Universidad de California, Santa Barbara; y el estadounidense Martinis está en UC Santa Barbara.
El Premio Nobel de Física de este año ha impulsado el desarrollo de nuevas formas de tecnología cuántica, como la criptografía cuántica, las computadoras cuánticas y los sensores cuánticos. Los transistores que integran los microchips en las computadoras representan aplicaciones consolidadas de la tecnología cuántica en nuestra vida cotidiana.
Según Olle Eriksson, presidente del Comité Nobel de Física, “es maravilloso celebrar cómo la mecánica cuántica, con un siglo de antigüedad, ofrece continuamente nuevas sorpresas. Además, es enormemente útil, ya que la mecánica cuántica es la base de toda la tecnología digital”.
Los galardonados también han demostrado que el sistema físico estudiado responde exactamente a las previsiones de la mecánica cuántica: sólo absorbe o emite cantidades concretas de energía, una característica conocida como cuantización.
La mecánica cuántica permite que una partícula se mueva a través de una barrera mediante un proceso llamado efecto túnel.
“Cuando lanzas una pelota contra una pared, puedes estar seguro de que rebotará hacia ti y te sorprendería mucho si la pelota apareciera, de repente, al otro lado de la pared”, indicó la Real Academia para ilustrar el descubrimiento.
El sistema eléctrico superconductor utilizado por estos tres científicos podía pasar de un estado a otro, como si atravesara una pared.
Cuando están involucradas grandes cantidades de partículas, los efectos cuánticos generalmente se vuelven insignificantes. Los experimentos de los laureados demostraron además que las propiedades de la mecánica cuántica pueden hacerse concretas a escala macroscópica.
El experimento clave de los laureados
Figura 6. John Clarke, Michel Devoret y John Martinis construyeron un experimento utilizando un circuito eléctrico superconductor. El chip que contenía este circuito tenía un tamaño aproximado de un centímetro. Anteriormente, el efecto túnel y la cuantización de la energía se habían estudiado en sistemas que contaban con unas pocas partículas; en este caso, estos fenómenos aparecieron en un sistema mecánico cuántico con miles de millones de pares de Cooper que llenaban todo el superconductor del chip. De este modo, el experimento llevó los efectos mecánicos cuánticos de una escala microscópica a una macroscópica. ©Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de Ciencias
Los científicos construyeron un circuito electrónico con superconductores, componentes que pueden conducir corriente sin resistencia eléctrica. En el circuito, los componentes superconductores estaban separados por una capa delgada de material no conductor, una configuración conocida como unión Josephson. Al refinar y medir todas las propiedades de su circuito, pudieron controlar y explorar los fenómenos que surgían cuando pasaban corriente a través de él.
Las partículas cargadas que se movían a través del superconductor conformaban un sistema que se comportaba como si fueran una sola partícula que llenaba todo el circuito. Este sistema macroscópico similar a una partícula estaba inicialmente en un estado en el que la corriente fluía sin voltaje. El sistema estaba atrapado en este estado, como si estuviera detrás de una barrera que no podía cruzar.
En el experimento, el sistema mostró su carácter cuántico al lograr escapar del estado de voltaje cero mediante efecto túnel. El cambio de estado del sistema se detectó a través de la aparición de un voltaje. Los laureados también pudieron demostrar que el sistema se comporta de la manera prevista por la mecánica cuántica: está cuantizado, lo que significa que solo absorbe o emite cantidades específicas de energía.
En física cuántica, el efecto túnel es bien conocido en partículas individuales. En 1928, el físico George Gamow descubrió que el efecto túnel es la razón por la cual algunos núcleos atómicos pesados tienden a desintegrarse de una manera particular. Sin el efecto túnel, este tipo de desintegración nuclear no podría ocurrir.
Los físicos se preguntaron rápidamente si sería posible investigar un tipo de efecto túnel que involucrara más de una partícula a la vez. Los laureados utilizaron superconductores, materiales en los que los electrones individuales se organizan formando pares, llamados pares de Cooper. Estos pares se comportan de manera completamente diferente a los electrones ordinarios y pueden describirse como una sola unidad, un sistema de mecánica cuántica.
En un conductor normal, los electrones chocan entre sí y con el material. Cuando un material se convierte en superconductor, los electrones se unen en pares, llamados pares de Cooper, y forman una corriente sin resistencia. El espacio en la ilustración marca la unión Josephson. Los pares de Cooper pueden comportarse como si fueran una sola partícula que llena todo el circuito eléctrico. La mecánica cuántica describe este estado colectivo utilizando una función de onda compartida. Las propiedades de esta función de onda desempeñan un papel fundamental en el experimento de los galardonados. ©Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de Ciencias
El trabajo teórico de Anthony Leggett sobre el efecto túnel cuántico macroscópico en una unión Josephson inspiró nuevos tipos de experimentos. A mediados de los años 1980, Devoret se unió al grupo de investigación de Clarke en UC Berkeley como postdoctorado, después de recibir su doctorado en París. El grupo también incluía al estudiante de doctorado Martinis. Juntos, asumieron el desafío de demostrar el efecto túnel cuántico macroscópico.
Fueron necesarias grandes cantidades de cuidado y precisión para aislar la configuración experimental de todas las interferencias que podrían afectarla. Los científicos lograron refinar y medir todas las propiedades de su circuito eléctrico, lo que les permitió comprenderlo en detalle. El chip que contenía el circuito medía aproximadamente un centímetro de tamaño.
Para medir los fenómenos cuánticos, alimentaron una corriente débil en la unión Josephson y midieron el voltaje. El voltaje sobre la unión Josephson era inicialmente cero, como se esperaba. Luego estudiaron cuánto tiempo tardaba el sistema en salir de este estado mediante efecto túnel, causando un voltaje. Debido a que la mecánica cuántica implica un elemento de azar, tomaron numerosas mediciones y trazaron sus resultados como gráficos.
Los laureados también introdujeron microondas de diferentes longitudes de onda en el estado de voltaje cero. Algunas fueron absorbidas y el sistema pasó a un nivel de energía más alto. Esto demostró que el estado de voltaje cero tenía una duración más corta cuando el sistema contenía más energía, exactamente lo que predice la mecánica cuántica.
Teóricos como Leggett han comparado el sistema cuántico macroscópico de los laureados con el famoso experimento mental de Erwin Schrödinger con un gato en una caja. Leggett argumentó que la serie de experimentos mostró que hay fenómenos que involucran grandes cantidades de partículas que juntas se comportan tal como predice la mecánica cuántica.
Este tipo de estado cuántico macroscópico ofrece nuevo potencial para experimentos que utilizan los fenómenos que gobiernan el mundo microscópico de las partículas. Puede considerarse como una forma de átomo artificial a gran escala. Por ejemplo, los átomos artificiales se utilizan para simular otros sistemas cuánticos. Los circuitos superconductores son una de las técnicas que se están explorando en intentos de construir una futura computadora cuántica.
El galardón representa el segundo premio Nobel revelado esta semana, un día después de que Mary E. Brunkow, Fred Ramsdell y el Dr. Shimon Sakaguchi ganaran el Premio Nobel de Medicina por sus descubrimientos sobre cómo el sistema inmunológico distingue entre gérmenes y células propias. El año pasado, los pioneros de la inteligencia artificial John Hopfield y Geoffrey Hinton ganaron el premio de física por sus contribuciones al aprendizaje automático.
El Premio Nobel de Física ha sido otorgado 118 veces a 226 laureados entre 1901 y 2024. Los anuncios del Nobel continúan esta semana con el premio de química el miércoles, literatura el jueves y el Premio Nobel de la Paz el viernes. El Premio Nobel de Economía se anunciará el 13 de octubre.
La ceremonia de entrega de premios se celebrará el 10 de diciembre, aniversario de la muerte de Alfred Nobel en 1896, el industrial sueco e inventor de la dinamita que fundó los premios. Los galardones conllevan un prestigio inestimable y una dotación en metálico de 11 millones de coronas suecas, equivalentes a casi 1,2 millones de dólares.