07/10/2025
Oggi, 7 ottobre 2025, la Reale accademia reale svedese delle scienze ha assegnato il premio Nobel per la Fisica a John Clarke, Michel Devoret e John Martinis per le loro ricerche relative all’effetto tunnel macroscopico e la quantizzazione dell’energia in circuiti superconduttivi. Le suddette ricerche, oltre ad essere di grande interesse da un punto di vista della meccanica quantistica, sono alla base di dispositivi quantistici superconduttivi come i quantum bit che si usano nei più potenti e performanti computer quantistici oppure i sensori quantistici ultrasensibili in grado di misurare i debolissimi campi magnetici generati dalle correnti neuronali.
La superconduttività può essere considerata la manifestazione più straordinaria della meccanica quantistica a livello macroscopico. Scoperta nel 1911 dal fisico olandese Kamerlingh Onnes (premio Nobel per la Fisica nel 1913) consiste nell’assenza della resistenza elettrica in alcuni materiali quando sono raffreddati ad una temperatura inferiore ad una determinata temperatura chiamata temperatura critica. In effetti al di sotto della temperatura critica, miliardi di miliardi di elettroni si accoppiano istantaneamente grazie ad una debole interazione attrattiva, formando un insieme di coppie di Cooper, il cosiddetto condensato superconduttivo che fluisce nel superconduttore senza trovare nessun ostacolo e quindi senza alcuna resistenza elettrica.
Una delle conseguenze più importanti della superconduttività è l’effetto Josephson. Teorizzato nel 1962 dal fisico Brian Josephson e osservato per la prima volta nel 1963 dal fisico Ivar Giaever (entrambi premi Nobel per la fisica nel 1973), l’effetto Josephson prevede l’effetto tunnel di coppie di Cooper attraverso una barriera classicamente proibita. Quindi un tunnel non del singolo elettrone ma di una coppia in cui la distanza tra gli elettroni può essere anche di alcune centinaia di nanometri. Tale effetto si verifica quando due superconduttori sono separati da una sottilissima barriera di un materiale isolante (circa 1 nanometro). Una struttura di questo genere prende il nome di giunzione Josephson con la quale si realizzano molti dispositivi quantistici incluso i succitati quantum bit superconduttori.
Le ricerche per le quali i tre scienziati hanno appena ricevuto il prestigio premio, sono state focalizzate nella verifica sperimentalmente dell’esistenza di fenomeni quantistici macroscopici nelle giunzioni tunnel Josephson. In particolare, hanno osservato che al di sotto di una certa temperatura, detta di cross over, una giunzione Josephson transisce in un tempo rapidissimo (dell’ordine del picosecondo) da uno stato a tensione nulla ad uno a tensione finita per effetto tunnel, ovvero attraverso una barriera di potenziale che ne proibirebbe il passaggio. Questo fenomeno di tunnel coinvolge l’intera giunzione Josephson che è un dispositivo macroscopico con un’area di alcune decine o centinaia di micrometri quadri. Ciò ha messo in evidenza per la prima volta che i fenomeni quantistici come l’effetto tunnel non valgono solo su scale microscopiche ma anche nel mondo macroscopico che ci circonda. Un altro fenomeno quantistico macroscopico che i tre scienziati hanno osservato per la prima volta è stato la quantizzazione dei livelli energetici del potenziale che descrive la giunzione Josephson dando una definitiva visione sperimentale del comportamento quantistico macroscopico”.
L’Istituto di scienze applicate e sistemi intelligenti del CNR (Cnr-Isasi, già Istituto di Cibernetica “E. Caianiello”), nell’ambito della scuola campana di superconduttività fondata da A. Barone e quella al CNR fondata da M. Russo, vanta una tradizione di ricerca pluriennale su queste tematiche ed ha contribuito fin dalla metà degli anni ’80 a questo affascinante settore di ricerca realizzando giunzioni e dispositivi Josephson per la verifica sperimentale di ulteriori fenomeni macroscopici quali la quantizzazione di livelli energetici in condizioni di risonanza anche a temperature più alte di quella di cross over. Inoltre, dal 1998 al 2004 l’Istituto ha organizzato un ciclo di workshop relativi alla coerenza quantistica macroscopica e alla computazione quantistica. In questi workshop, John Clarke, Michel Devoret e John Martinis, unitamente ai ricercatori di Cnr-Isasi Carmine Granata, Berardo Ruggiero, e Paolo Silvestrini, hanno contribuito a diffondere lo stato dell’arte dei fenomeni quantistici macroscopici.
Per informazioni:
Carmine Granata
Cnr-Isasi
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Berardo Ruggiero, Cnr-Isasi, email: berardo.ruggiero@isasi.cnr.it
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