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El Premio Nobel de Física 2025 ha sido otorgado a John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis "por el descubrimiento de la tunelización mecánica cuántica macroscópica y la cuantificación de la energía en un circuito eléctrico".
07 octubre 2025.- El Premio Nobel de Física 2025 ha sido otorgado a John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis "por el descubrimiento de la tunelización mecánica cuántica macroscópica y la cuantificación de la energía en un circuito eléctrico".
La investigación proporcionó nuevos conocimientos sobre la mecánica cuántica. Este es el 119.º Premio Nobel de Física. El prestigioso galardón, dotado con 11 millones de coronas suecas (1,2 millones de dólares), fue anunciado el lunes 6 de octubre por la Asamblea Nobel en el Instituto Karolinska de Estocolmo, Suecia.
John Clarke , Universidad de California, Berkeley, EE.UU.
Michel H. Devoret , Universidad de Yale, New Haven, Connecticut y Universidad de California, Santa Bárbara, EE.UU.
John M. Martinis , Universidad de California, Santa Bárbara, EE.UU.
Una pregunta clave en física es el tamaño máximo de un sistema que puede demostrar efectos mecanocuánticos. Los ganadores del Premio Nobel de este año realizaron experimentos con un circuito eléctrico en el que demostraron tanto el efecto túnel mecanocuántico como los niveles de energía cuantizados en un sistema lo suficientemente grande como para sostenerlo en la mano.
La mecánica cuántica permite que una partícula atraviese una barrera mediante un proceso llamado tunelización. En cuanto intervienen grandes cantidades de partículas, los efectos de la mecánica cuántica suelen volverse insignificantes. Los experimentos de los galardonados demostraron que las propiedades de la mecánica cuántica pueden concretarse a escala macroscópica.
En 1984 y 1985, John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis realizaron una serie de experimentos con un circuito electrónico construido con superconductores, componentes capaces de conducir corriente sin resistencia eléctrica. En el circuito, los componentes superconductores estaban separados por una fina capa de material no conductor, una configuración conocida como unión Josephson. Al refinar y medir las diversas propiedades de su circuito, pudieron controlar y explorar los fenómenos que surgían al pasar una corriente a través de él. En conjunto, las partículas cargadas que se movían a través del superconductor formaban un sistema que se comportaba como si fueran una sola partícula que ocupaba todo el circuito.
Este sistema macroscópico, similar a una partícula, se encuentra inicialmente en un estado en el que la corriente fluye sin voltaje. El sistema está atrapado en este estado, como tras una barrera infranqueable. En el experimento, el sistema demuestra su carácter cuántico al lograr escapar del estado de voltaje cero mediante un efecto túnel. El cambio de estado del sistema se detecta mediante la aparición de un voltaje.
Los galardonados también pudieron demostrar que el sistema se comporta tal como lo predice la mecánica cuántica : está cuantizado, lo que significa que sólo absorbe o emite cantidades específicas de energía.
Los transistores de los microchips informáticos son un ejemplo de la tecnología cuántica consolidada que nos rodea. El Premio Nobel de Física de este año ha brindado oportunidades para desarrollar la próxima generación de tecnología cuántica, incluyendo la criptografía cuántica, las computadoras cuánticas y los sensores cuánticos.
Propiedades cuánticas a escala humana
Los ganadores del Premio Nobel de Física 2025, John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis, utilizaron una serie de experimentos para demostrar que las extrañas propiedades del mundo cuántico pueden concretarse en un sistema lo suficientemente grande como para sostenerse en la mano. Su sistema eléctrico superconductor podía pasar de un estado a otro mediante un túnel, como si atravesara una pared. También demostraron que el sistema absorbía y emitía energía en dosis específicas, tal como predecía la mecánica cuántica.
La mecánica cuántica describe propiedades significativas a una escala que involucra partículas individuales. En física cuántica , estos fenómenos se denominan microscópicos, incluso cuando son mucho más pequeños de lo que se puede observar con un microscopio óptico. Esto contrasta con los fenómenos macroscópicos, que consisten en una gran cantidad de partículas. Por ejemplo, una pelota común está compuesta por una cantidad astronómica de moléculas y no presenta efectos mecánicos cuánticos. Sabemos que la pelota rebota cada vez que se lanza contra una pared. Sin embargo, a veces, una sola partícula atraviesa una barrera equivalente en su mundo microscópico y aparece al otro lado. Este fenómeno mecánico cuántico se denomina efecto túnel.
El Premio Nobel de Física de este año reconoce experimentos que demostraron cómo se puede observar el efecto túnel cuántico a escala macroscópica, involucrando a muchas partículas. En 1984 y 1985, John Clarke, Michel Devoret y John Martinis realizaron una serie de experimentos en la Universidad de California, Berkeley. Construyeron un circuito eléctrico con dos superconductores, componentes capaces de conducir la corriente sin resistencia eléctrica. Los separaron con una fina capa de material que no conducía corriente alguna. En este experimento, demostraron que podían controlar e investigar un fenómeno en el que todas las partículas cargadas del superconductor se comportan al unísono, como si fueran una sola partícula que llena todo el circuito.
Este sistema, similar a una partícula, se encuentra atrapado en un estado en el que la corriente fluye sin voltaje, un estado del que no tiene suficiente energía para escapar. En el experimento, el sistema demuestra su carácter cuántico al utilizar el efecto túnel para escapar del estado de voltaje cero, generando un voltaje eléctrico. Los galardonados también demostraron que el sistema está cuantizado, lo que significa que solo absorbe o emite energía en cantidades específicas.
Túneles y cruces
Para ayudarlos, los galardonados contaban con conceptos y herramientas experimentales desarrollados durante décadas. Junto con la teoría de la relatividad, la física cuántica es la base de lo que se ha dado en llamar física moderna, y los investigadores han dedicado el último siglo a explorar sus implicaciones.
La capacidad de las partículas individuales para desintegrarse es bien conocida. En 1928, el físico George Gamow se dio cuenta de que la tunelización es la razón por la que algunos núcleos atómicos pesados tienden a desintegrarse de una manera particular. La interacción entre las fuerzas en el núcleo crea una barrera a su alrededor, reteniendo las partículas que contiene. Sin embargo, a pesar de esto, una pequeña porción del núcleo atómico a veces puede separarse, salir de la barrera y escapar, dejando atrás un núcleo que se ha transformado en otro elemento. Sin la tunelización, este tipo de desintegración nuclear no podría ocurrir.
La tunelización es un proceso de la mecánica cuántica, lo que implica que el azar juega un papel. Algunos tipos de núcleos atómicos tienen una barrera alta y ancha, por lo que puede tardar mucho tiempo en aparecer un fragmento del núcleo fuera de ella, mientras que otros tipos se desintegran con mayor facilidad. Si solo observamos un átomo , no podemos predecir cuándo ocurrirá esto, pero al observar la desintegración de un gran número de núcleos del mismo tipo, podemos medir el tiempo esperado antes de que se produzca la tunelización. La forma más común de describir esto es mediante el concepto de vida media, que es el tiempo que tarda la mitad de los núcleos de una muestra en desintegrarse.
Los físicos se preguntaron rápidamente si sería posible investigar un tipo de efecto túnel que involucrara más de una partícula a la vez. Un enfoque para nuevos tipos de experimentos surgió de un fenómeno que surge cuando algunos materiales se enfrían extremadamente.
En un material conductor común, la corriente fluye porque hay electrones que pueden moverse libremente a través de él. En algunos materiales, los electrones individuales que se abren paso a través del conductor pueden organizarse, formando una danza sincronizada que fluye sin resistencia. El material se ha convertido en un superconductor y los electrones se unen en pares. Estos se denominan pares de Cooper, en honor a Leon Cooper, quien, junto con John Bardeen y Robert Schrieffer, proporcionó una descripción detallada del funcionamiento de los superconductores (Premio Nobel de Física 1972).
Los pares de Cooper se comportan de forma completamente diferente a los electrones ordinarios. Los electrones tienen un alto grado de integridad y les gusta mantenerse alejados entre sí; dos electrones no pueden estar en el mismo lugar si tienen las mismas propiedades. Podemos observar esto en un átomo, por ejemplo, donde los electrones se dividen en diferentes niveles de energía, llamados capas. Sin embargo, cuando los electrones en un superconductor se unen en pares, pierden parte de su individualidad; mientras que dos electrones separados siempre son distintos, dos pares de Cooper pueden ser exactamente iguales. Esto significa que los pares de Cooper en un superconductor pueden describirse como una sola unidad, un sistema mecánico cuántico. En el lenguaje de la mecánica cuántica, se describen como una sola función de onda. Esta función de onda describe la probabilidad de observar el sistema en un estado dado y con propiedades dadas.
Si se unen dos superconductores con una fina barrera aislante entre ellos, se crea una unión Josephson. Este componente recibe su nombre de Brian Josephson, quien realizó cálculos de mecánica cuántica para la unión. Descubrió que surgen fenómenos interesantes al considerar las funciones de onda a cada lado de la unión (Premio Nobel de Física 1973). La unión Josephson encontró rápidamente aplicaciones, incluyendo mediciones precisas de constantes físicas fundamentales y campos magnéticos.
La construcción también proporcionó herramientas para explorar los fundamentos de la física cuántica de una forma innovadora. Uno de ellos fue Anthony Leggett (Premio Nobel de Física 2003), cuyo trabajo teórico sobre el efecto túnel cuántico macroscópico en una unión Josephson inspiró nuevos tipos de experimentos.
El grupo de investigación inicia sus trabajos
Estos temas encajaban a la perfección con los intereses de investigación de John Clarke. Era profesor en la Universidad de California, Berkeley, EE. UU., adonde se trasladó tras completar su doctorado en la Universidad de Cambridge, Reino Unido, en 1968. En UC Berkeley, creó su grupo de investigación y se especializó en la exploración de diversos fenómenos mediante superconductores y la unión de Josephson.
A mediados de la década de 1980, Michel Devoret se unió al grupo de investigación de John Clarke como investigador postdoctoral, tras doctorarse en París. Este grupo también incluía al estudiante de doctorado John Martinis. Juntos, asumieron el reto de demostrar el efecto túnel cuántico macroscópico. Se requirió un gran cuidado y precisión para proteger el experimento de cualquier interferencia que pudiera afectarlo. Lograron refinar y medir todas las propiedades de su circuito eléctrico, lo que les permitió comprenderlo en detalle.
Para medir los fenómenos cuánticos, introdujeron una corriente débil en la unión Josephson y midieron el voltaje, que está relacionado con la resistencia eléctrica del circuito. El voltaje en la unión Josephson fue inicialmente cero, como se esperaba. Esto se debe a que la función de onda del sistema está encerrada en un estado que impide la generación de voltaje. Luego, estudiaron cuánto tardaba el sistema en salir de este estado mediante un túnel, generando un voltaje. Dado que la mecánica cuántica implica un factor aleatorio, realizaron numerosas mediciones y representaron sus resultados en gráficos, a partir de los cuales pudieron leer la duración del estado de voltaje cero. Esto es similar a cómo las mediciones de las vidas medias de los núcleos atómicos se basan en estadísticas de numerosos casos de desintegración.
El efecto túnel demuestra cómo los pares de Cooper del experimento, en su danza sincronizada, se comportan como una única partícula gigante. Los investigadores confirmaron aún más esta afirmación al observar que el sistema tenía niveles de energía cuantizados. La mecánica cuántica recibió su nombre tras la observación de que la energía en los procesos microscópicos se divide en paquetes separados, los cuantos. Los galardonados introdujeron microondas de diferentes longitudes de onda en el estado de voltaje cero. Algunas de estas fueron absorbidas, y el sistema pasó entonces a un nivel de energía superior. Esto demostró que el estado de voltaje cero tenía una duración más corta cuando el sistema contenía más energía, que es exactamente lo que predice la mecánica cuántica. Una partícula microscópica encerrada tras una barrera funciona de la misma manera.
Beneficio práctico y teórico
Este experimento tiene consecuencias para la comprensión de la mecánica cuántica. Otros tipos de efectos de la mecánica cuántica que se demuestran a escala macroscópica se componen de muchas piezas individuales diminutas y sus propiedades cuánticas independientes. Los componentes microscópicos se combinan para causar fenómenos macroscópicos como láseres, superconductores y líquidos superfluidos. Sin embargo, este experimento creó un efecto macroscópico (un voltaje medible) a partir de un estado que es en sí mismo macroscópico, en forma de una función de onda común para un gran número de partículas.
Teóricos como Anthony Leggett han comparado el sistema cuántico macroscópico de los galardonados con el famoso experimento mental de Erwin Schrödinger, que presentaba un gato dentro de una caja, donde el gato estaría vivo y muerto si no miráramos dentro. (Erwin Schrödinger recibió el Premio Nobel de Física en 1933). La intención de este experimento mental era demostrar lo absurdo de esta situación, ya que las propiedades especiales de la mecánica cuántica a menudo se pierden a escala macroscópica. Las propiedades cuánticas de un gato completo no pueden demostrarse en un experimento de laboratorio.
Sin embargo, Legget ha argumentado que la serie de experimentos realizados por John Clarke, Michel Devoret y John Martinis demostró que existen fenómenos que involucran grandes cantidades de partículas que, en conjunto, se comportan tal como predice la mecánica cuántica. El sistema macroscópico, compuesto por numerosos pares de Cooper, sigue siendo muchos órdenes de magnitud más pequeño que un gatito; sin embargo, dado que el experimento mide las propiedades de la mecánica cuántica aplicables al sistema en su conjunto, para un físico cuántico es bastante similar al gato imaginario de Schrödinger.
Este tipo de estado cuántico macroscópico ofrece un nuevo potencial para experimentos que utilizan los fenómenos que rigen el mundo microscópico de las partículas. Puede considerarse como una forma de átomo artificial a gran escala: un átomo con cables y conectores que puede conectarse a nuevas configuraciones de prueba o utilizarse en nuevas tecnologías cuánticas. Por ejemplo, los átomos artificiales se utilizan para simular otros sistemas cuánticos y facilitar su comprensión.
Otro ejemplo es el experimento de computación cuántica realizado posteriormente por Martinis, en el que utilizó exactamente la cuantificación de energía que él y los otros dos galardonados habían demostrado. Utilizó un circuito con estados cuantificados como unidades portadoras de información: un bit cuántico. El estado de energía más bajo y el primer paso hacia arriba funcionaban como cero y uno, respectivamente. Los circuitos superconductores son una de las técnicas que se están explorando en los intentos de construir una futura computadora cuántica.
Los galardonados de este año han contribuido tanto a la utilidad práctica en los laboratorios de física como a proporcionar nueva información para la comprensión teórica de nuestro mundo físico.
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