12月6日至12日，14位諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)啐R聚斯德哥爾摩，參與為期一周的2025年諾貝爾頒獎(jiǎng)周活動(dòng)。獲獎(jiǎng)?wù)吆w生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)及經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)等多個(gè)領(lǐng)域。繼今年10月受邀參加諾貝爾獎(jiǎng)新聞發(fā)布會(huì)后，墨子沙龍?jiān)俅螛s幸獲邀參與本屆諾獎(jiǎng)周活動(dòng)。在卡洛琳斯卡醫(yī)學(xué)院和瑞典皇家科學(xué)院，墨子沙龍現(xiàn)場(chǎng)參加了諾貝爾獎(jiǎng)得主記者見面會(huì)，聆聽了獲獎(jiǎng)?wù)邆兊膶W(xué)術(shù)報(bào)告，并將陸續(xù)與讀者分享現(xiàn)場(chǎng)的精彩內(nèi)容。

本文根據(jù)獲獎(jiǎng)?wù)呒s翰·克拉克（John Clarke）的報(bào)告內(nèi)容整理而成，報(bào)告題目為：從“鼻涕蟲”到宏觀量子現(xiàn)象（From SLUGs to macroscopic quantum phenomena )。

約翰·克拉克1942年出生于英國(guó)劍橋，1968年獲得劍橋大學(xué)博士學(xué)位，1969年帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在加州大學(xué)伯克利分校開展超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）的研發(fā)。1984年至1985年間，約翰·克拉克與另外兩位諾獎(jiǎng)得主Michel H. Devoret和John M. Martinis合作首次觀測(cè)到宏觀量子隧穿現(xiàn)象。約翰·克拉克現(xiàn)在仍以榮譽(yù)教授身份指導(dǎo)伯克利量子工程實(shí)驗(yàn)室。

我打算分兩部分來聊這個(gè)主題。第一部分是我在劍橋大學(xué)的研究經(jīng)歷，這段經(jīng)歷也是我最終能去到加州大學(xué)伯克利分校的關(guān)鍵緣由。第二部分介紹我在加州大學(xué)伯克利分校的研究?jī)?nèi)容。我會(huì)主要圍繞三個(gè)方向展開：宏觀變量、能級(jí)量子化以及宏觀量子隧穿效應(yīng)。

一、在劍橋的研究工作

我先來講講自己在劍橋大學(xué)的研究經(jīng)歷。當(dāng)時(shí)我是劍橋大學(xué)自由學(xué)校巷皇家學(xué)會(huì)蒙德實(shí)驗(yàn)室的一名研究生，上面是我那時(shí)拍的一張近照。我的論文導(dǎo)師是布賴恩?皮珀特（Brian Pippard），我們是從 1964 年 10 月 1 日開始合作的。他給我安排了一個(gè)難度相當(dāng)大的課題 ——要求我實(shí)現(xiàn)對(duì) 10?12 V至 10?13 V量級(jí)電壓的測(cè)量，而在那個(gè)年代，行業(yè)內(nèi)的頂尖水平也只能達(dá)到 10?? V的測(cè)量精度。

我琢磨了一陣子，覺得這個(gè)實(shí)驗(yàn)的難度實(shí)在不小。但沒過多久，布賴恩?約瑟夫森（Brian Josephson）舉辦了一場(chǎng)學(xué)術(shù)講座，講解了約瑟夫森隧穿效應(yīng)（Josephson Tunneling）。這個(gè)理論不僅徹底改變了我的研究方向，說實(shí)話，也改變了很多其他人的研究軌跡。在那場(chǎng)講座中，他還花了相當(dāng)多的時(shí)間，講解了與之相關(guān)的各類研究主題。

他談到的核心概念之一是磁通量子化。其基本原理是：若存在一個(gè)承載超導(dǎo)磁通量的超導(dǎo)環(huán)，那么環(huán)中的磁通量會(huì)以 “磁通量子”（符號(hào) Φ?）為基本單位量子化，且 Φ? = ?/2e（?為約化普朗克常數(shù)，e 為電子電荷）。

當(dāng)然，他還詳細(xì)講解了約瑟夫森隧穿效應(yīng)。該效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)邏輯很直觀：首先在絕緣基底上沉積一層超導(dǎo)薄膜，接著對(duì)其進(jìn)行氧化處理，最后再沉積第二層超導(dǎo)薄膜，這就是約瑟夫森結(jié)的基本構(gòu)造原理。不過他在講座中深入闡述了更多細(xì)節(jié)。

左上方的示意圖展示了一層絕緣勢(shì)壘，它將兩個(gè)超導(dǎo)體分隔開來，而超導(dǎo)體具備超導(dǎo)特性的庫(kù)珀對(duì)（電子對(duì)，Cooper pairs），能夠穿透這層勢(shì)壘發(fā)生隧穿。下圖右側(cè)的圖像則是貝爾實(shí)驗(yàn)室的安德森（Anderson）和勞爾（Rowell）團(tuán)隊(duì)首次通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到約瑟夫森隧穿效應(yīng)的原始數(shù)據(jù)圖：縱軸代表電流，橫軸代表電壓。從圖中可看出，在電流極小時(shí)，電路中并無(wú)電壓產(chǎn)生；但當(dāng)電流增大到某一臨界值后，系統(tǒng)會(huì)突然轉(zhuǎn)變?yōu)橛须妷旱臓顟B(tài)，這一轉(zhuǎn)變過程實(shí)際上取決于外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

布萊恩?約瑟夫森（Brian Josephson）推導(dǎo)出了兩個(gè)簡(jiǎn)潔的方程，完美解釋了上述所有現(xiàn)象：一是流過約瑟夫森結(jié)的電流：I = I??sinδ，其中 I?是 “最大超導(dǎo)電流”（也稱臨界電流），δ 是勢(shì)壘兩側(cè)在電壓態(tài)下的相位差；二是相位差δ的時(shí)間變化率：dδ/dt = 2πV/Φ?，其中 V 是結(jié)兩端的電壓，Φ?為磁通量子。令人驚嘆的是，這些成果是他在劍橋大學(xué)讀研究生的第一年就完成的，而他也憑借這一貢獻(xiàn)獲得了 1973 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（注：報(bào)告內(nèi)容 “1993 年” 應(yīng)為口誤，正確年份為 1973 年）。

僅僅一年后的1964 年，又一項(xiàng)關(guān)鍵突破應(yīng)運(yùn)而生——Jaklevic, Lambe, Silver和Mercereau提出了SQUID（超導(dǎo)量子干涉儀） 的設(shè)計(jì)理念。

其核心結(jié)構(gòu)是：一個(gè)超導(dǎo)環(huán)，環(huán)上嵌入兩個(gè)約瑟夫森結(jié)。神奇的是，當(dāng)改變環(huán)內(nèi)的磁通量時(shí)，超導(dǎo)環(huán)的臨界電流會(huì)隨磁通量呈周期性振蕩，而振蕩周期恰好等于磁通量子 Φ?。因此，SQUID 巧妙融合了約瑟夫森隧穿效應(yīng)和磁通量子化兩大核心思想。S上圖右側(cè)的示意圖展示了他們?cè)O(shè)計(jì)的初代器件：底部是一層超導(dǎo)薄膜，上方覆蓋著一層較厚的絕緣層，絕緣層的兩端各有一個(gè)約瑟夫森結(jié)；下方的曲線則是 “約瑟夫森電流-磁場(chǎng)” 關(guān)系圖 —— 從圖中能清晰看到，隨著磁場(chǎng)變化，臨界電流呈現(xiàn)出明顯的振蕩現(xiàn)象。

就在講座結(jié)束后的第二天，我的論文導(dǎo)師布萊恩?皮珀特走進(jìn)我的辦公室，對(duì)我說：“約翰，你想不想擁有一臺(tái)在 1 秒內(nèi)就能達(dá)到 2×10?1?伏分辨率的電壓表？” 我當(dāng)時(shí)覺得這簡(jiǎn)直不可思議。隨后他就解釋了實(shí)現(xiàn)方案，還在黑板上畫了示意圖（如下）。

右側(cè)是一個(gè) SQUID，其環(huán)的電感為 L；這個(gè) SQUID 與另一個(gè)相同電感 L 的線圈串聯(lián)，且該線圈還串聯(lián)了一個(gè)電阻。當(dāng)在這個(gè)輸入電路兩端施加電壓時(shí)，磁通量就會(huì)耦合到 SQUID 中，從而實(shí)現(xiàn)超高精度的電壓測(cè)量。

為了簡(jiǎn)化方案，他提議讓電感 L 和互感 M 取值相等。這樣一來，這套裝置本質(zhì)上就成了一臺(tái)數(shù)字電壓表。其電壓分辨率由輸入電壓 Vin 決定，公式為 Vin =IΦ0?R，這里的 I 是讓超導(dǎo)環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)磁通量子所需要施加的電流大小。如果把時(shí)間常數(shù)設(shè)定為 1 秒，就能算出裝置的實(shí)際分辨率可達(dá) 2×10?15 伏。在那個(gè)年代，這個(gè)數(shù)值堪稱驚人，它讓當(dāng)時(shí)的測(cè)量精度直接提升了六個(gè)數(shù)量級(jí)。

但當(dāng)時(shí)我面臨一個(gè)難題：蒙德實(shí)驗(yàn)室并沒有制備薄膜的相關(guān)設(shè)備，因此我沒法復(fù)刻出當(dāng)時(shí)美國(guó)實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)做出的那種器件。之后的幾個(gè)星期，我嘗試用鈮（Nb，Niobium）箔和鈮絲制作約瑟夫森結(jié)，有時(shí)還會(huì)用鉛錫（PbSn）焊料把它們焊接在一起，但所有嘗試都以失敗告終。

幸運(yùn)的是，在某天的日常茶歇時(shí)間，我的難題迎刃而解。當(dāng)時(shí)我正為做不出約瑟夫森結(jié)而懊惱，保羅?雷特 —— 直到現(xiàn)在我對(duì)他的印象都很深刻，他是和我同級(jí)的博士生 —— 提醒我說：鈮金屬表面本身就有一層氧化層，而且鉛錫焊料其實(shí)是超導(dǎo)材料。他建議我：“為什么不在鈮絲上點(diǎn)一小團(tuán)焊料試試看呢？” 他設(shè)想的器件結(jié)構(gòu)，就和下圖左側(cè)的示意圖一樣：一根鈮絲，上面附著一小團(tuán)焊料，還引出了兩根導(dǎo)線，用來測(cè)量器件的電流-電壓特性。

隨后我把這個(gè)器件放進(jìn)低溫恒溫器，注入液氦冷卻。那天晚飯前，我終于看到了期待的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

和之前的實(shí)驗(yàn)圖一樣，這張圖的縱軸是電流，橫軸是電壓。從圖中能清晰看到：低電流區(qū)間沒有電壓產(chǎn)生；當(dāng)電流增大到臨界值后，電壓才會(huì)突然出現(xiàn)。對(duì)我而言，這就是掌握約瑟夫森結(jié)制備方法的開端。

第二天，我把這個(gè)器件放在辦公桌上。早上布萊恩?皮珀特走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室時(shí)，看到它打趣道：“昨晚好像有只鼻涕蟲爬進(jìn)窗戶，死在你桌上了。” 這里有一張鼻涕蟲的照片，而這個(gè)玩笑也直接決定了這個(gè)器件的名字。于是，這個(gè)被戲稱為 “鼻涕蟲” 的裝置，正式得名超導(dǎo)低電感振蕩電流計(jì)（Superconducting Low-Inductance Undulatory Galvanometer，簡(jiǎn)稱 SLUG）。

你再看上圖右側(cè)這張?zhí)匦詧D，會(huì)發(fā)現(xiàn)SLUG有個(gè)特別的性質(zhì)：當(dāng)改變流經(jīng)鈮絲的電流時(shí)，器件兩端的電壓會(huì)隨偏置電流呈周期性振蕩。令人意想不到的是，這個(gè) SLUG的性能竟然和超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）不相上下。憑借它，我制作出了一臺(tái)模擬電壓表，電壓噪聲低至 10?14 伏 /√赫茲。而這一切，都是我剛讀研幾個(gè)月時(shí)完成的。從那以后，我投入了大量時(shí)間優(yōu)化SLUG裝置，同時(shí)也借助它超高的測(cè)量靈敏度，開展了一系列之前根本無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

幾年時(shí)間一晃而過，我開始思考自己接下來的研究方向。畢業(yè)前夕，保羅?理查茲（Paul L. Richards）到訪了我的實(shí)驗(yàn)室 —— 他當(dāng)時(shí)是加州大學(xué)伯克利分校物理系的教員。他饒有興致地了解了我的研究?jī)?nèi)容，我也向他請(qǐng)教了他的研究方向，那次交流讓我收獲頗豐。

正如我之前所說，那時(shí)我正糾結(jié)下一步的規(guī)劃。一個(gè)念頭突然冒了出來：如果能以博士后的身份，前往保羅所在的加州大學(xué)伯克利分校做研究，應(yīng)該會(huì)是一段非常棒的經(jīng)歷。保羅后來成了我人生中一位極好的導(dǎo)師，他的家人也和我成了摯友。遺憾的是，他如今已經(jīng)與世長(zhǎng)辭。

二、在加州大學(xué)伯克利分校的研究?jī)?nèi)容

1968 年 1 月 6 日，我以博士后的身份，進(jìn)入加州大學(xué)伯克利分校物理系，開啟了為期一年的研究工作。在那里，我繼續(xù)深入研究SLUG裝置，探索它的各類應(yīng)用場(chǎng)景。之后，伯克利分校邀請(qǐng)我留校任教，同時(shí)還聘任我為勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員。也是從那時(shí)起，我正式組建了屬于自己的研究團(tuán)隊(duì)。

后來，我開始指導(dǎo)一批又一批的研究生和博士后。1980 年，剛從伯克利分校獲得學(xué)士學(xué)位的約翰?馬蒂尼斯（John Martinis）加入我的團(tuán)隊(duì)，成為一名研究生；1982 年，米歇爾?德沃雷（Michel Devoret）也加入了我的課題組擔(dān)任博士后 ，他當(dāng)時(shí)剛在法國(guó)的奧賽大學(xué)拿到博士學(xué)位。

我們首先要確定研究方向。當(dāng)時(shí)，托尼?萊格特（Tony Leggett）發(fā)表了一篇極具啟發(fā)性的論文，并引發(fā)了相關(guān)學(xué)術(shù)討論，核心問題是：宏觀變量是否遵循量子力學(xué)規(guī)律？

我們決定采用電流偏置約瑟夫森結(jié)來探究這個(gè)有趣的問題，這里的宏觀變量指的就是勢(shì)壘兩側(cè)超導(dǎo)序參量的相位差 δ。

我們意識(shí)到，必須將實(shí)驗(yàn)器件冷卻到極低的溫度，因此搭建了一臺(tái)稀釋制冷機(jī)（下圖展示的是制冷機(jī)的底端結(jié)構(gòu)）。借助這臺(tái)設(shè)備，我們能夠?qū)囟冉档郊s18 毫開爾文。同時(shí)，我們還投入了大量時(shí)間，盡可能降低器件的電噪聲與磁噪聲。實(shí)驗(yàn)所用的超導(dǎo)器件就安裝在制冷機(jī)的最底部。

經(jīng)過一兩年的研究，我們的第一篇論文成功發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，論文標(biāo)題為《電流偏置約瑟夫森結(jié)零電壓態(tài)的能級(jí)量子化》。

我來簡(jiǎn)單概述一下這篇論文的核心內(nèi)容，具體的計(jì)算過程在此就不展開了。

上圖左側(cè)的圖像展示的是立方勢(shì) U 與相位差 Δ 的關(guān)系，圖中標(biāo)示出了三個(gè)能級(jí)；右側(cè)是對(duì)應(yīng)的電路圖 —— 約瑟夫森結(jié)并聯(lián)了一個(gè)電阻和一個(gè)電容。我們可以向器件施加微波和偏置電流，同時(shí)測(cè)量其兩端的電壓。這類器件的等離子體頻率由下方這個(gè)公式給出（具體推導(dǎo)就不贅述了，式中 Φ0 為磁通量子）。通過調(diào)節(jié)偏置電流 I，我們就能實(shí)現(xiàn)對(duì)能級(jí)的調(diào)控。

我們的第一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是：當(dāng)施加微波時(shí)，器件的逃逸率會(huì)顯著提升。具體來說，在功率為 P 的微波輻照下，若微波頻率恰好等于兩個(gè)能級(jí)之間的間距，那么器件從零電壓態(tài)的逃逸率 Γ 會(huì)產(chǎn)生共振增強(qiáng)，其增強(qiáng)幅度可以用 [Γ(P)-Γ(0)]/Γ(0) 來表征（Γ(0) 為無(wú)微波時(shí)的逃逸率）。

我們圍繞這一現(xiàn)象展開了多方面研究。上面這張圖呈現(xiàn)的是在2.2 GHz微波輻照下， [Γ(P)-Γ(0)]/Γ(0)隨偏置電流變化的關(guān)系曲線。從圖中可以清晰看到三個(gè)共振峰，它們分別對(duì)應(yīng)前文提到的不同能級(jí)躍遷：最右側(cè)的峰對(duì)應(yīng) 0→1 躍遷，中間的峰對(duì)應(yīng) 1→2 躍遷，最左側(cè)的峰對(duì)應(yīng) 2→3 躍遷。隨著躍遷能級(jí)的升高，共振峰的強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱。

上圖下方的曲線圖則是理論計(jì)算得到的 n 態(tài)到 n+1 態(tài)的能級(jí)間距隨偏置電流的變化關(guān)系。圖中同樣標(biāo)注出了 0→1、1→2、2→3 三種躍遷對(duì)應(yīng)的曲線，虛線代表臨界電流和電容的誤差范圍，箭頭則指明了我們觀測(cè)的具體躍遷過程。

接下來我們分析微波頻率的影響。上圖（a）是在四種不同頻率的微波輻照下，[Γ(P)-Γ(0)]/Γ(0)隨偏置電流的變化曲線，四種頻率均已在圖中標(biāo)注；下圖（b）是理論計(jì)算的能級(jí)間距隨偏置電流的變化關(guān)系，不同曲線對(duì)應(yīng)不同的能級(jí)躍遷，箭頭標(biāo)示出理論預(yù)測(cè)的共振對(duì)應(yīng)的偏置電流值，而圖中的滑標(biāo)線代表等離子體頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，微波頻率改變時(shí)共振峰的位置偏移，與理論預(yù)測(cè)完全吻合。

此外，我們還對(duì)量子行為到經(jīng)典行為的演化過程展開了研究。最下方的曲線對(duì)應(yīng)的是最低溫度條件，此時(shí)只能觀測(cè)到一個(gè)共振峰；隨著溫度升高（溫度的表征參數(shù)為kBT/?ω ，ω 為頻率），曲線開始出現(xiàn)一個(gè)額外的肩峰；當(dāng)溫度升高到上圖（a）對(duì)應(yīng)的最高值時(shí)，響應(yīng)曲線變成了連續(xù)譜，這表明此時(shí)器件的行為已經(jīng)完全過渡到經(jīng)典范疇。

最后總結(jié)一下這篇論文的核心結(jié)論：我們觀測(cè)到了微波誘導(dǎo)的共振現(xiàn)象，即微波能夠共振增強(qiáng)電流偏置約瑟夫森隧穿結(jié)從零電壓態(tài)的逃逸率，這些共振峰的位置與無(wú)擬合參數(shù)的能級(jí)量子化模型的理論預(yù)測(cè)高度吻合。這一系列結(jié)果為宏觀變量 δ 具有量子行為提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

接下來，我們來看第二篇論文——這篇論文和第一篇僅相隔三周，標(biāo)題是《電流偏置約瑟夫森結(jié)零電壓態(tài)的宏觀量子隧穿測(cè)量》。

同樣，我會(huì)帶大家梳理這篇論文的內(nèi)容，重點(diǎn)展示相關(guān)實(shí)驗(yàn)圖。至于一些細(xì)節(jié)，我就不逐一細(xì)講了，時(shí)間上也不允許。這里先簡(jiǎn)單總結(jié)幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

如上圖，在熱激活區(qū)域，也就是滿足 kBT ? ?ωP（ωP為等離子體頻率）的條件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過熱激活的方式從勢(shì)阱中逃逸，這是一個(gè)純熱過程，相關(guān)公式如上所示。而在量子區(qū)域，即kBT ? ?ωP時(shí)，理論預(yù)測(cè)系統(tǒng)的逃逸機(jī)制會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^量子隧穿，我們也計(jì)算出了該機(jī)制下的逃逸率。這里我只強(qiáng)調(diào)一個(gè)關(guān)鍵數(shù)值：當(dāng)阻尼因子 Q=ωPRC?1 時(shí)，逃逸率由 “依賴溫度的熱激活機(jī)制” 轉(zhuǎn)變?yōu)?“不依賴溫度的量子隧穿機(jī)制” 的交叉溫度，其理論值為?ωP/2πkB 。

為了盡可能消除約瑟夫森結(jié)自身參數(shù)對(duì)逃逸率實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的影響，我們引入了一個(gè)非常實(shí)用且關(guān)鍵的特征參量 ——逃逸溫度 Tesc，它的定義方式如下圖所示。在熱激活區(qū)域，我們有對(duì)應(yīng)的理論預(yù)測(cè)公式，其中包含相關(guān)器件參數(shù)；而在量子區(qū)域，當(dāng)溫度 T=0 時(shí)，逃逸率的理論預(yù)測(cè)則由下方這個(gè)較為復(fù)雜的方程給出。

下圖是另一張實(shí)驗(yàn)曲線圖，展示了兩種不同臨界電流條件下，逃逸溫度 Tesc 隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系。圖中，“量子結(jié)” 指的是臨界電流相對(duì)較高的約瑟夫森結(jié)，“經(jīng)典結(jié)” 則是臨界電流低得多的結(jié)。兩條箭頭中，實(shí)心箭頭代表高臨界電流結(jié)的理論交叉溫度，空心箭頭代表低臨界電流結(jié)的理論交叉溫度。圖左側(cè)的小符號(hào)標(biāo)示出了逃逸率的理論預(yù)測(cè)值隨溫度的變化趨勢(shì)，可以看到，它與量子區(qū)域曲線的底端吻合得相當(dāng)精準(zhǔn)；同時(shí)，低溫區(qū)間的逃逸溫度實(shí)驗(yàn)值，也與圖中給出的 T=0 時(shí)的理論預(yù)測(cè)值高度一致。這是一個(gè)非常關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

我們最終希望得到的，是逃逸溫度 Tesc 隨偏置電流 I 的變化規(guī)律。下面這張圖展示了兩種不同環(huán)境溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：上圖（a）對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度為 151 毫開，此時(shí)系統(tǒng)處于經(jīng)典區(qū)域，逃逸溫度隨偏置電流的增大而降低；下圖對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度則低得多，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入量子區(qū)域，逃逸溫度隨偏置電流的增大而升高。在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都與理論預(yù)測(cè)吻合良好。（a）和（b）兩圖中，逃逸溫度隨偏置電流的變化趨勢(shì)截然不同，這一現(xiàn)象直接證明了：經(jīng)典區(qū)域與量子區(qū)域的逃逸機(jī)制存在本質(zhì)差異。

論文核心結(jié)論是，我們測(cè)量了兩種臨界電流條件下，電流偏置約瑟夫森結(jié)從零電壓態(tài)的逃逸率。對(duì)于低臨界電流的結(jié)，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，其逃逸行為完全符合經(jīng)典理論的預(yù)測(cè)；對(duì)于高臨界電流的結(jié)，在較高溫度區(qū)間，其逃逸行為遵循經(jīng)典規(guī)律；而當(dāng)溫度低于 50 毫開時(shí)，逃逸率的變化趨勢(shì)開始趨于平緩；溫度降至 25 毫開時(shí)，逃逸率不再隨溫度變化 —— 這正是量子隧穿機(jī)制的典型特征。在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，低溫下的逃逸溫度測(cè)量值，與宏觀量子隧穿的零溫理論預(yù)測(cè)值高度吻合，且所有相關(guān)器件參數(shù)均是在經(jīng)典極限條件下原位測(cè)量得到的。

這兩篇論文的研究成果相結(jié)合，為電路系統(tǒng)中存在能級(jí)量子化與宏觀量子隧穿效應(yīng)提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。憑借這項(xiàng)工作，我們有幸榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)評(píng)語(yǔ)為：“表彰其在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子隧穿效應(yīng)與能級(jí)量子化現(xiàn)象”。

最后，我想說明的是，當(dāng)時(shí)還有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也在開展宏觀量子隧穿的相關(guān)研究，他們同樣做出了十分重要的貢獻(xiàn)。非常感謝大家。

文字整理：小鈺

文章轉(zhuǎn)載自“墨子沙龍”微信公眾號(hào)