C’è qualcosa di profondamente ironico nel destino della meccanica quantistica: la teoria nata per descrivere l’infinitamente piccolo oggi riceve un Nobel per aver svelato le sue leggi nel dominio del macroscopico. Il Premio Nobel per la Fisica 2025, assegnato a John Clarke, Michel Devoret e John Martinis, ha come motivazione la scoperta del tunnelling quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico. I tre scienziati, negli anni ’80, resero concreto ciò che fino ad allora appariva una mera chimera, ovvero che un sistema formato da miliardi di elettroni potesse comportarsi come un’unica e coerente entità quantistica.
Effetti quantistici in un sistema macroscopico
Quando si pensa al macroscopico, il pensiero corre inevitabilmente al gatto di Schrödinger, quell’animale concettuale sospeso tra la vita e la morte, nato nel 1935 dalla fervida fantasia di Schrödinger come una vera e propria provocazione filosofica contro gli eccessi della teoria quantistica. Nessuno, allora, avrebbe immaginato che un giorno gli esperimenti avrebbero cercato – e trovato – il modo di far esistere davvero “gatti” di tipo quantistico. Non animali, certo, ma sistemi macroscopici in cui lo stato collettivo di miliardi di particelle potesse trovarsi in una sovrapposizione coerente di due configurazioni distinte.
Negli anni ’70, era stato il fisico britannico Anthony Leggett ad avere il coraggio di porre la domanda: è possibile osservare effetti quantistici in un sistema macroscopico? E, insieme al suo allievo Amir Caldeira, aveva sviluppato un quadro teorico per descrivere come il tunnelling quantistico – il passaggio attraverso una barriera di potenziale che, classicamente, sarebbe invalicabile – potesse realizzarsi anche quando il “corpo” che attraversa la barriera non è un singolo elettrone, ma un oggetto macroscopico, come ad esempio l’intera corrente elettrica di un circuito superconduttore.
Effetto tunnel e giunzione Josephson
Si capì subito che il sistema ideale per testare l’ipotesi di Leggett era la giunzione Josephson, un dispositivo costituito da due superconduttori separati da un sottile strato isolante attraverso il quale coppie di elettroni (le cosiddette coppie di Cooper) possono passare grazie all’effetto tunnel. In questo contesto, la differenza di fase tra le funzioni d’onda dei due superconduttori diventa una variabile dinamica che può oscillare e, sorprendentemente, quantizzarsi.
Il suo comportamento può essere rappresentato come quello di una particella che si muove in un potenziale fatto da una serie di buche lungo un piano inclinato creato da una corrente di bias. Quando la corrente applicata è inferiore a un valore critico, la “particella” resta intrappolata in una di queste buche e il circuito non mostra una differenza di tensione elettrica. Aumentando però la corrente, essa può “saltare” alla buca successiva, generando in questo caso una tensione misurabile.
Ma, negli anni ’80, la domanda vera su cui si arrovellavano i fisici era un’altra: a temperature prossime allo zero assoluto, questo salto è termico o quantistico? In altre parole, la particella collettiva – la fase del giunto – può davvero attraversare la barriera per effetto tunnel, proprio come fa una particella alfa quando un nucleo atomico decade?
L’esperimento da Nobel
Fu nel laboratorio di Berkeley, sotto la guida di John Clarke, che la risposta prese forma sperimentale. In collaborazione con Michel Devoret, un giovane postdoc proveniente dal centro CEA di Saclay, e John Martinis, allora dottorando, Clarke costruì un apparato di precisione straordinaria. Ogni possibile sorgente di rumore termico o elettromagnetico venne filtrata con cura maniacale: oltre 200 decibel di attenuazione per le microonde, un controllo termico che scendeva a poche decine di millikelvin. Era un esperimento di silenzio, di isolamento quasi monastico: bisognava stare in religiosa quiete per ascoltare il sussurro quantistico del circuito superconduttore.
Misurando migliaia di volte la corrente di fuga – quella per cui il sistema “scappava” dal suo stato metastabile – il gruppo osservò un comportamento inaspettato. Sotto una certa temperatura, la distribuzione delle correnti di fuga non dipendeva più dalla temperatura stessa. Era questo un chiaro segno che non si trattava più di un processo termico, ma di un effetto tunnel quantistico su scale macroscopiche. Il circuito (tutto il circuito!) si comportava come una particella che attraversa la barriera non per effetto del calore, ma grazie alla probabilità quantistica.
Ma non solo. Irradiando la giunzione Josephson con appropriate microonde controllate, Clarke e colleghi osservarono che il sistema poteva assorbire energia solo a frequenze ben definite, come se il circuito possedesse livelli energetici quantizzati, analoghi a quelli di un elettrone nell’atomo di Bohr.
L’accordo tra teoria e misura fu impeccabile. Era la prima volta che si vedevano livelli discreti di energia in un sistema macroscopico, un oggetto “grande abbastanza da poterlo toccare con le dita”, come scherzarono gli stessi autori nell’articolo pubblicato su Science.
In un sol colpo, il confine tra micro e macro, tra il dominio dell’atomo e quello dell’ingegnere, diventava indefinito, permeabile, quasi inesistente. Un circuito elettrico – un artefatto umano – si comportava come un puro sistema quantistico. Era l’atto di nascita della fisica dei circuiti quantistici.
Immagine di copertina: Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach
