Der diesjährigen Nobelpreis für Physik geht an John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis. Das verkündete die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften am 07. Oktober. Die Nobelpreisträger haben gezeigt, dass die Regeln der Quantenwelt nicht nur für winzige Teilchen gelten, sondern auch für größere Systeme.

Der Physik-Nobelpreis 2025

Der Physik-Nobelpreis 2025 würdigt mit den diesjährigen Preisträgern Forschende, die gezeigt haben, dass Quanten-Tunneln auch auf makroskopischer Ebene, also mit vielen Teilchen, beobachtet werden kann.

In den Jahren 1984 und 1985 führten Clarke, Devoret und Martinis an der University of California, Berkeley, eine Reihe von Experimenten durch. Sie bauten einen elektrischen Schaltkreis mit zwei Supraleitern, also Komponenten, die Strom ohne elektrischen Widerstand leiten, getrennt durch eine dünne, nichtleitende Schicht.

In diesem Experiment zeigten sie, dass sie ein Phänomen kontrollieren und untersuchen konnten, bei dem alle geladenen Teilchen im Supraleiter gemeinsam agieren, als wären sie ein einzelnes Teilchen, das den gesamten Schaltkreis ausfüllt.

Dieses teilchenartige System befindet sich zunächst in einem Zustand, in dem Strom fließt, ohne dass eine Spannung entsteht – ein Zustand, aus dem es nicht genug Energie hat, um zu entkommen.

Im Experiment zeigt das System seine quantische Natur, indem es mittels Tunneln aus dem Null-Volt-Zustand entkommt und eine elektrische Spannung erzeugt. Die Preisträger konnten zudem zeigen, dass das System quantisiert ist, also Energie nur in spezifischen Mengen aufnimmt oder abgibt.

Von der Theorie zur praktischen Umsetzung

Um die Experimente zu realisieren, konnten die Forscher auf Konzepte und Werkzeuge zurückgreifen, die über Jahrzehnte entwickelt worden waren. Zusammen mit der Relativitätstheorie bildet die Quantenphysik die Grundlage der modernen Physik.

Einzelteilchen tunneln bekanntlich bereits seit fast einem Jahrhundert: 1928 erkannte der Physiker George Gamow, dass Tunneln die Ursache bestimmter radioaktiver Zerfälle ist. In einem Atomkern erzeugen Kräfte eine Barriere, die die enthaltenen Teilchen festhält – dennoch kann ein Teil des Kerns manchmal austreten. Ohne Tunneln wäre diese Art von Kernzerfall nicht möglich.

Physiker fragten sich früh, ob Tunneln auch kollektive Effekte vieler Teilchen zeigen könnte. Ein Ansatz entstand durch Materialien, die bei extremen Temperaturen supraleitend werden. In einem Supraleiter bilden die einzelnen Elektronen Paare, sogenannte Cooper-Paare, die sich synchron bewegen und Strom ohne Widerstand leiten. Anders als einzelne Elektronen können Cooper-Paare als ein einziges quantenmechanisches System beschrieben werden, dargestellt durch eine gemeinsame Wellenfunktion.

Werden zwei Supraleiter durch eine dünne Isolatorschicht verbunden, entsteht eine Josephson-Kontakt-Struktur, die interessante quantenmechanische Effekte zeigt. Die Josephson-Kontakt-Struktur wurde unter anderem für präzise Messungen physikalischer Konstanten und Magnetfelder genutzt. Theoretische Arbeiten zu makroskopischem Quanten-Tunneln, wie von Anthony Leggett (Nobelpreis 2003), inspirierten neue Experimente – darunter auch die Arbeiten von Clarke, Devoret und Martinis.

Das Experiment der Nobelpreisträger

John Clarke, Professor an der University of California, Berkeley, leitete eine Forschungsgruppe, die sich auf Supraleiter und Josephson-Kontakte spezialisierte. Michel Devoret stieß Mitte der 1980er-Jahre als Postdoc hinzu, zusammen mit dem Doktoranden John Martinis. Gemeinsam wollten sie makroskopisches Quanten-Tunneln demonstrieren.

Sie speisten einen schwachen Strom in den Josephson-Kontakt ein und maßen die Spannung, die zunächst null war. Das System befand sich in einem Zustand, der keine Spannung zuließ. Dann untersuchten sie, wie lange es dauerte, bis das System durch Tunneln aus diesem Zustand entkam und Spannung erzeugte. Da Quantenmechanik ein Element des Zufalls enthält, nahmen sie zahlreiche Messungen vor und stellten sie in Diagrammen dar – ähnlich wie bei der Bestimmung von Halbwertszeiten radioaktiver Kerne.

Das Tunneln zeigte, dass die Cooper-Paare im System synchron wie ein einziges großes Teilchen agieren. Eine weitere Bestätigung erhielten die Forscher, als sie die quantisierten Energielevels des Systems beobachteten. Mit Mikrowellen verschiedener Wellenlängen regten sie das System an: Einige Wellen wurden absorbiert, wodurch das System auf ein höheres Energielevel sprang. Das Demonstrierte, dass ein System mit mehr Energie kürzer im Null-Volt-Zustand verweilt – genau wie von der Quantenmechanik vorhergesagt.

Konsequenzen für Theorie und Praxis

Das Experiment hat sowohl theoretische als auch praktische Bedeutung: Es zeigt, dass makroskopische Effekte – wie eine messbare Spannung – direkt aus einem quantenmechanischen System entstehen können, das viele Teilchen umfasst. Leggett verglich das System der Preisträger mit Schrödingers Katze, um zu illustrieren, dass Quanteneffekte auch bei großen Systemen messbar sind, wenn auch noch weit kleiner als eine echte Katze.

Solche makroskopischen Quantenzustände eröffnen neue Möglichkeiten für Experimente und Anwendungen in der Quantenforschung. Sie können als künstliche Atome auf großer Skala dienen, z. B. in der Simulation anderer Quantensysteme oder in Quantencomputern.

Martinis nutzte genau diese Energiequantisierung in Schaltkreisen, die als Quantenbits fungierten, wobei der niedrigste Energiezustand „0“ und der erste erhöhte Zustand „1“ darstellte.

Supraleitende Schaltkreise gehören zu den vielversprechendsten Ansätzen für zukünftige Quantencomputer. Die Nobelpreisträger 2025 haben damit sowohl praktische Anwendungen in Physiklaboren ermöglicht als auch unser theoretisches Verständnis der Quantenwelt erweitert.

Die Preisträger des Medizin-Nobelpreises wurden am 7. Oktober verkündet. 

Quelle: Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften