“宏原子”：2025諾獎實驗裝置，讓你“看見”量子隧穿

2025年諾貝爾物理學(xué)獎的桂冠，授予了一項堪稱“顛覆認(rèn)知”的發(fā)現(xiàn)：宏觀量子隧穿效應(yīng)與能量量子化現(xiàn)象。這聽起來深奧，但簡單說，就是科學(xué)家第一次在肉眼可見的尺度上，捕捉到了原本只屬于微觀世界的量子“幽靈行為”。

這一切的關(guān)鍵，藏在一個看似復(fù)雜的實驗裝置里。

參考附圖，裝置的一端連接電源，另一端輸入微波信號。那個顯眼的大銅管并非裝飾，里面填滿了銅粉，職責(zé)重大——吸收一切可能干擾實驗的電磁噪聲，為接下來的奇跡創(chuàng)造一個“絕對安靜”的舞臺。

而裝置真正的核心，是一塊邊長僅約10毫米的小小芯片。芯片上搭載著一個名為“約瑟夫森結(jié)”的神奇結(jié)構(gòu)。你可以把它想象成一個“量子三明治”：兩片超導(dǎo)體中間，夾著一層薄如蟬翼的絕緣體。正是這個結(jié)構(gòu)，成為了宏觀世界與量子世界之間的那道“門”。

量子隧穿，這個微觀粒子“穿墻而過”的神奇能力，就在這個“三明治”的絕緣層中發(fā)生了。

科學(xué)家們巧妙地將整個電路設(shè)計成一個“宏觀原子”。這意味著，構(gòu)成這個電路的數(shù)十億個微觀粒子協(xié)同一致，像一個放大了無數(shù)倍的單一原子那樣行動。于是，我們便得以在宏觀尺度上，直接觀測到原本只能間接推斷的量子效應(yīng)——比如能量像臺階一樣一級一級變化（能量量子化），以及電流無需電壓就能“穿越”絕緣屏障（量子隧穿）。

這不僅僅是實驗室里的奇觀。這項突破性研究極大地推進(jìn)了我們對量子物理基礎(chǔ)的理解，并為下一代量子計算、超高精度傳感技術(shù)打開了新的大門。它向我們揭示：量子世界的法則，并非微觀世界的專屬；在特定的條件下，它也能在我們的尺度上，展現(xiàn)出令人驚嘆的宏偉面貌。

從此，量子物理不再只是書本上抽象的方程與猜想，而是成為了一個在宏觀世界中可被直接觀測和操控的鮮活現(xiàn)實。

這個實驗裝置到底有多大呢？我們把它和魔方放在一起，直觀地比較一下：