Andi Hektor, Kristjan Kannike
Väga väikeste asjade maailm on kergelt öeldes kummastav. Seal kehtivad hoopis teistsugused füüsikaseadused, mida füüsikud kutsuvad kvantfüüsikaks. Meile, klassikalise maailma elanikele, on kvantmaailm täis paradokse: Schrödingeri kass on „seguolekus“ (elus ja surnud); Wigneri sõbra paradoks (ta on küll täiesti elus, aga tema elu pole samuti lihtne). Nii mõnigi on kergendatult ohanud, et õnneks on need segadused kusagil väikeste asjade maailmas ega tule meid, suuri asju, kummitama. Ent tänavuse Nobeli füüsikaauhinna saajad on näidanud, et kvantmehaanilised nähtused saavad esineda meie maailmas: neid saab sõna otseses mõttes käes hoida.
20025. aasta Nobeli füüsikaauhinna on pälvinud füüsikud John Clarke, Michel H. Devoret ja John M. Martinis teemal „Makroskoopilise kvantmehaanilise tunneliefekti ja energia kvantiseerimise avastamine elektriahelas“. Samamoodi nagu kipub olema segane kvantmaailm juhtus sel aastal üksjagu segadust võidust teatamisega. John Clarke oli Nobeli komitee telefonikõnet vastu võttes ja tugevat rootsi aksenti kuuldes täiesti veendunud, et tegemist on tudengite naljaga tema kulul, ning teda tuli pikalt veenda, enne kui ta uudist uskuma jäi.
John M. Martinisi asemel võttis telefonikõne vastu tema naine ajal, kui John sügavalt magas. Abikaasa lasi füüsikul veel mõne tunni magada, enne kui ta äratas ja uudisest teatas. Naljamaiad tudengid nimetasid selle olukorra Schrödingeri kassi järgi „Martinisi paradoksiks“: füüsik, kes magab, ja on sel ajal Nobeli-võitja ja mittevõitja ühekorraga.
Et värskete nobelistide avastust seletada, tuleb alustada ühest teisest kvantnähtusest, nimelt Josephsoni efektist ülijuhtides. 1962. aastal esitas toona 22-aastane Brian Josephson oma murrangulise hüpoteesi ülijuhtide kohta. Ta ennustas, et kui kaks ülijuhti on eraldatud õhukese isoleeriva kihiga (nn Josephsoni siire), tekib kaks põhinähtust, mida tuntakse koos Josephsoni efektina. Need on alalisvoolu Josephsoni efekt, kus ilma siirdele rakendatud pingeta peaks siirde kaudu voolama pidev, lõpmatu elektrivool (supervool), ja vahelduvvoolu Josephsoni efekt: kui siirdele rakendada piiratud alalisvoolu pinget, tekib hoopis vahelduvvool.
Tuletame meelde, et ülijuht on materjal, kus elektrivool liigub erinevalt tavalisest elektrijuhist ilma takistuseta. Tavalised ülijuhtivad materjalid on ise ühe teise kvantnähtuse väljendus: nendes liikuvad elektrivoolu kandjad ehk elektronid moodustavad omavahel seotud Cooperi paarid. Üksteisega mingi jõu kaudu seotud (kvant)osakeste seoseenergiat ei saa sujuvalt muuta, energia muutub hüppeliselt. Näiteks aatom või kristallid kiirgavad sel põhjusel ainult kindlal lainepikkusel valgust. Nii ei saagi Cooperi paarideks seotud elektronid enam oma energiat sujuvalt ära anda ja nad liiguvad ülijuhis ilma energiakadudeta.
Muide, Josephsoni arvutused sündisid väidetavalt Cambridge’is õppejõuna töötanud Philip Andersoni kodutöö probleemi lahendamisest. Anderson oli oma loengutes maininud ülijuhtidevahelise tunneldamise probleemi, mille Josephson seejärel kohe lahendas. Seega, tasub kodutöid teha, eriti kui neid jagab hilisem nobelist: Anderson sai Nobeli auhinna aastal 1977 ja Josephson ise 1973.
Hüppame nüüd korraks eemale ülijuhtidest ja Josephsoni efektist. Küsime: kuidas näha, et kvantmehaanikale ei allu ainult osakesed ja aatomid, vaid ka suurte asjade maailm? Näiteks pall koosneb tohutust arvust molekulidest ega kipu kuidagi kvantmehaaniliselt käituma. Vastu seina visatud pall põrkab sealt tagasi. Mis seal pallist rääkida, kui sama juhtub tolmukübemegagi! Samuti ei näe me enda ümber Schrödingeri kasse, kes oleksid korraga elus ja surnud.
Pall põrkab alati seinalt tagasi. Oleks väga kummaline, kui pall läheks läbi seina. Ometi võib see kvantmehaanika mikromaailmas juhtuda osakesega, mis põrkab vastu energiabarjääri. JOHAN JARNESTAD / ROOTSI KUNINGLIK TEADUSTE AKADEEMIA
Pallil pole piisavalt energiat, et seinast läbi tungida. Mikromaailmas võib osake kvantmehaanikat järgides „tunneldada” läbi seina ka siis, kui tal selleks energiat ei jätku. Tegelikult võiks isegi pall käituda kvantmehaaniliselt, kui ta oleks küllalt madalal temperatuuril ja ülejäänud maailmast piisavalt hästi eraldatud. Josephsoni siire ongi absoluutse nulli lähedasel temperatuuril olev makroskoopiline süsteem, mis käitub kvantmehaaniliselt.
Aastatel 1984 ja 1985 tegid John Clarke, Michel H. Devoret ja John M. Martinis hulga katseid Josephsoni siirdega, mida läbis välise alalisvooluallika tekitatud elektrivool. Teoreetik Anthony Leggett oli selgitanud, et väga madalatel temperatuuridel võivad ülijuhi elektronid toimida nagu üks suur osake.
See osakesesarnane süsteem on alguses olekus, kus elektrivool voolab läbi Josephsoni siirde ilma pingeta (alalisvoolu Josephsoni efekt). Energia võiks olla veel väiksem, kui siirdele tekiks pinge, kuid nende kahe oleku vahel seisab energiabarjäär (vt allpool jooniseid). Teadlased näitasid, et süsteem läks „läbi seina“, tunneldades ilma pingeta olekust pingega olekusse (vahelduvvoolu Josephsoni efekt). Pinge tekkis igal mõõtmisel veidi erineva aja järel – kvantmehaanika on tõenäosuslik –, aga selle tekkimise keskmine aeg läks väga hästi kokku kvantmehaanika ennustusega.
