2025 NOBEL FİZİK ÖDÜLÜ MAKROSKOBİK TÜNELEME

Giriş

Nobel Ödülleri, İsveçli kimyager ve mucit Alfred Nobel’in 1895’te yazdığı vasiyet üzerine oluşturulmuştur. Dinamiti icat eden Nobel, büyük bir servet sahibiydi. Servetinin büyük kısmının insanlığa en büyük faydayı sağlayan kişilere verilmesini istemiştir. Bu vasiyet doğrultusunda 1900 yılında Nobel Vakfı kurulmuş ve ilk Nobel Ödülleri 1901’de sahiplerine verilmiştir. Başlangıçta fizik, kimya, fizyoloji veya tıp, edebiyat ve barış olmak üzere beş dalda verilen bu ödüllere, 1968 yılında İsveç Merkez Bankası tarafından ekonomi dalı eklenmiştir. Nobel Ödülleri, her yıl insanlığa katkı sunan bilim insanı, yazar veya barış elçilerini onurlandırmaktadır. 

Fizik dalında verilen Nobel Fizik Ödülü, ilk kez 1901 yılında verildi ve o günden bu yana evrenin temel yasalarını anlamaya yaptığı katkılarla simgeleşti. Bu yıl ise ödül, John Clarke, Michel H. Devoret ve John M. Martinis’e “elektrik devresinde makroskopik kuantum tünelleşme ve enerji nicellenmesi” keşfi dolayısıyla ortak olarak verildi.

(Görsel-1 2025 Nobel fizik ödülüne layık görülen kişiler)

· John Clarke (1942 doğumlu): İngiltere’de doğmuş, ABD’deki University of California, Berkeley’de çalışmalar yapmış bir deneysel fizikçi.

· Michel H. Devoret (1953 doğumlu): Fransa doğumlu, ABD’de Yale University ve University of California, Santa Barbara’da çalışan kuantum elektronik ve süperiletken devreler uzmanı.

· John M. Martinis (1958 doğumlu): ABD’de, süperiletken kuantum devreler üzerine yaptığı öncü çalışmalarla tanınan fizikçi.

· (Yukarıda koyu yazılan yerler bu üç insanın bir araya gelmelerini gösterir nitelikte.)

Bu üç bilim insanının ortak başarısı, kuantum efektlerinin yalnızca mikroskopik ölçekte değil, “makroskobik” devreler aracılığıyla büyüklükteki sistemlerde de ortaya çıkabileceğini göstermeleri oldu. Giriş kısmından sonra gelen kısımlar tek tek adım adım hiyeraşik bir sistemde ilerliyor ve en sonunda da Nobel ödülü ile son buluyor.

KUANTUM DÜNYANIN OLASILIKÇI DOĞASI                         

Kuantum mekaniği pratik açıdan kusursuza yakın çalışır; kusursuz değildir ama oldukça iyidir. Bu yüzden de genel görelilik hariç ana akım fizik teorilerimiz kuantuma dayanır. Kuantum fiziği olmadan bir katıyı, DNA’nın yapısını, Güneş’in rengini, lazerlerin varlığını veya süperiletkenliği açıklayamazsınız. Ancak buna rağmen hâlâ kuantum fiziğinin deneyimleyebileceğimiz makro dünya ile ilişkisi tartışılıyor.

Bir grup, kuantumun makro dünyadan farklı olduğu için ve kuantum–makro arası geçiş biraz muallak kaldığından bir sorun olduğunu düşünüyor. O zaman herhangi bir insanın sorması gereken soru da şu: Ölçebildiğimiz her şeyi kesin olarak açıklıyor gibi görünen bir teori neden hâlâ eksik olarak değerlendiriliyor?

Bakın, normalde kuantum fiziğinin doğası olasılıkçıdır. Bunu şöyle düşünün: Bir parçacık sizin veya benim için klasik bir parçacıktır; küçücük bir boncuk gibi, uzayda tek bir yerde bulunan küçük bir obje. Ancak kuantum mekaniğinde mesela elektron gibi atom altı parçacıklar — hadi bunları kuantum parçacıkları olarak genelleyelim — klasik bir boncuk gibi değildir. Onlar, konumu olasılıksal olarak temsil eden bir dalga olarak var olur.

Dolayısıyla ölçüm yapmadan bir kuantum parçacığı için “evet, tam da şurada veya burada” diyemezsiniz. Bir parçacığı ya da herhangi bir kuantum sistemini, sistemin izin verdiği olası durumlara yayılmış bir olasılıksal bulut gibi düşünürüz ve bu olasılıksal bulutu “dalga fonksiyonu” olarak tanımlarız. İşte problem de burada başlıyor; çünkü klasik dünyadaki deterministik doğa, kuantum dünyasında olasılıkçı bir doğaya dönüşüyor.

Bir boncuğu iki elinizden birinde rastgele tutsanız dersiniz ki: “%50 sağ, %50 sol elinde.” Çünkü fiziksel gerçeklik olarak boncuk tek bir elde bulunabilir. Ancak bir kuantum parçacığını sağ ve sol elinizde %50-%50 olasılıkla bulma ihtimaline sahipseniz, ölçüm yapılana kadar her iki elinizde de aynı anda bulunur. Bu, kuantum parçacığının süperpozisyon hâlidir.

O hâlde soruyorum: Kuantum dünyasıyla klasik dünyası arasında bir geçiş mi var? Çünkü sanılanın aksine kuantum mekaniği de evreni “mikro veya makro” diye ayırmaz; ama kuantum etkileri belli bir ölçekten sonra sanki kayboluyor gibi. Fizikçiler aslında neredeyse 100 yıldır mikro ve makro dünyasının arasında var olabilecek bir sınırı arıyor.

Genel kanı, her şeyin birdenbire değiştiği ve kuantum mekaniğinin geçersiz hâle geldiği kesin bir sınır olmadığı yönünde; fakat herhangi bir tür sınır var mı? Varsa nasıl bir sınırdan bahsediyoruz? Nasıl bir fiziksel mekanizma bu geçişe neden oluyor? Bilim dünyasında hâlâ net bir cevabı yok.

Hatta bu tartışmaları başlatan (ve bizim bir önceki yazımızda da belirttiğimiz gibi) ünlü örneği eminim hepiniz biliyorsunuzdur: Schrödinger’in kedisi. Kapalı bir kutuda bir tane kedi, kediyi öldürecek zehirli gazı salacak bir sistem ve o sistemi çalıştıracak radyoaktif bir atom var. Atom kuantum parçacıktır; belirli bir olasılıkla bozulur, belirli bir olasılıkla bozulmaz. Atom bozulursa sistem aktive edilir, zehirli gaz salınır ve kedi ölür; aksi takdirde kedi canlıdır.

Böylelikle atom üzerinde ölçüm yapılmayana kadar atom hem bozulmuş hem de bozulmamış hâldedir. Bu durumda Schrödinger de sana şunu sorar: “Sen bu kutuyu açana kadar kedi aynı anda hem ölü hem de canlı mıdır?”

İşte 2025 Nobel Fizik Ödülü, adeta Schrödinger’in kedisinin durumlarını tünelleme ve süperiletkenlikle birleştiren ve klasik dünyaya nüfuz edebilen kuantum elektrik devrelerine gösterilebilen bir etki sunmuştur.

TÜNELLEME NEDİR?

 (Görsel-2 kuantum tünelleme anolojisi)

Kuantum fiziğinin olasılıkçı doğasını anladığınıza göre adım adım gideceğiz. Buradaki durağımız ise “kuantum tünelleme nedir?” Kuantum tünellemeyi daha önce duymuş olabilirsiniz.Hadi gelin bunu bir örnekle açıklayalım.

Belirli bir potansiyel enerjiye sahip olduğunuzu düşünün; ama klasik dünyadasınız. Karşınız da inanılmaz derecede yüksek bir duvar var. Vücudunuzdaki kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürerek zıplıyorsunuz ve duvarı aşmayı deniyorsunuz, ama enerjiniz yetmiyor.

Sonra elinize bir dinamit alıyorsunuz; amacınız şu: Dinamitin patlamasıyla ortaya çıkan enerjiyle duvarı yarıp engelin diğer tarafına geçmek. Ama yine nafile… Dinamitin yaydığı enerji yetmiyor ve duvarı aşamıyorsunuz. Bu, klasik dünyada yaşanılabilecek bir senaryo. Klasik dünyada, eğer karşınızdaki engelin potansiyel enerjisi sahip olduğunuz enerjiden daha büyükse o duvarı aşamazsınız. Yani engeliniz karşınızdaki duvar değil enerjiniz.

Ama şimdi farz edelim bir kuantum parçacığısınız ve enerjiniz yine karşınızdaki duvarın enerjisinden daha büyük değil. Bu sefer bir sorun yok; çünkü unutmayın: Artık kuantum parçacığıysanız siz bir olasılık bulutusunuz, siz bir kuantum dalga fonksiyonusunuz. Ve bu dalga fonksiyonu belli oranda duvarın ötesine de taşabilir. Duvarın potansiyeli karşıya taşmanın olasılığını azaltıyor ama sıfıra indirmiyor.

Yani, daha önce belirttiğim iki elimde de kuantum parçacığının bulunması gibi, bu sefer bir dalga fonksiyonu olarak siz aynı zamanda duvarın öbür ucundasınız — sadece daha düşük bir ihtimalle. Bunun anlamı ise, bir ölçüm yapıldığında enerjiniz yetmese bile duvarın iki tarafında da konumlanma ihtimaliniz olması.

Tabii siz bir kuantum parçacı değilsiniz; bu sadece hayali bir örnek. Ancak kuantum parçacıkları bunu gerçekten de yapabiliyor. Hatta kuantum tünellemesi olmazsa Güneş bir yıldız bile olamazdı; çünkü bir gök cismine “yıldız” denmesi için gereken koşullardan biri nükleer füzyondur.

Güneşte hidrojen atomları nükleer reaksiyonlarda bir araya gelerek helyumu ve diğer elementleri oluşturur. Ancak normalde Güneş’in merkezi, hidrojen atomlarının birbirine kaynaşmasını doğrudan sağlayacak kadar sıcak ve basınçlı değildir. Peki nasıl kaynaşıyorlar?

Tünelleme sayesinde. Olasılık hali düşük ama Güneşte o kadar fazla hidrojen atomu var ki, onlar birbiriyle o kadar fazla etkileşime giriyor ki, bu düşük olasılığa rağmen sayının fazlalığı bu işi makul hale getiriyor.

SÜPER İLETKENLİK VE COOPER ÇİFTLERİ

  (Görsel-3 aşırı soğuk fiziği süper iletkenler)

 Tünelleme ile ilgili fiziğin temellerini en çok zorlayan soru, tünellemenin ne kadar sürede gerçekleştiğidir. Kuantum mekaniğinde zaman, diğer gözlemlenebilir özelliklerden biraz daha farklı bir konumdadır; bu da zamanla alakalı her problemi daha karmaşık hale getiriyor. Ancak yine de bu problemi çözebileceğimizi düşünenler var.

Örneğin geçtiğimiz yıl, 2023 Nobel Fizik Ödülü sahibi Ferenc Krausz bir seminerinde, attosaniye lazerleriyle kuantum tünelleme süresinin çözümünü bulabileceğimizi iddia etmişti. Hemen belirteyim: Çok kabaca bir attosaniye, ışığın iki hidrojen atomu uzunluğunu aşması için gereken süredir. Yani günümüzde fizikçiler, attosaniye ölçeği çok kısa bir zaman ölçeği olduğu için attosaniyelik lazer atımları kullanarak tünellemenin zamansal problemini çözebileceklerini düşünüyor.

Ancak bu nispeten yeni bir uğraş. Geçmişte fizikçiler daha farklı yollara başvuruyordu. Örneğin çok fazla parçacıktan oluşan sistemlere bakıyorlardı. Tünelleme çok sayıda gerçekleşince, en azından istatistiksel olarak tünellemenin gerçekleşmesinden önceki ortalama süreyi ölçebileceklerini düşünüyorlardı. Dolayısıyla uzunca bir süre fizikçiler, aynı anda birden fazla parçacık içeren bir tünelleme türünü araştırdı.

Bu türü araştırırken fizikçiler kendilerini aşırı soğuğun fiziğinde, yani süperiletkenlik fiziğinde buldu. Evlerimizde kullandığımız sıradan elektriksel iletken malzemelerde — mesela bakırda — elektrik akımları akabilir; çünkü içinde serbest elektronlar vardır. Ancak sıradan iletkenlerde bir de elektrik direnci bulunur. Bu, tıpkı dar bir borunun su akışına karşı direnmesi gibidir. Bilgisayar veya cep telefonu tipi cihazlardaki elektronik aksamlar arasındaki elektronlar hareket ederken, direnç nedeniyle bir miktar enerji ısı olarak kaybolur. Hatta çoğu malzeme çok düşük sıcaklıklarda soğutulsa bile elektriksel dirence sahip olmaya devam eder.

Fakat bazı özel malzemelerde düşük sıcaklıklarda — yani mutlak sıfır sıcaklığına doğru gidilirken — iletkenin içinde geçen bireysel elektronlar organize hale gelir ve herhangi bir direnç olmaksızın akmaya başlar. İşte bu tarz malzemelere süperiletken denir. Süperiletkenlerin içindeki elektronlar çiftler halinde gelir ve sanki topluca, senkronize bir şekilde dans ederler. Bu çiftlerin özel bir adı vardır: Cooper çiftleri. Adını, 1956 yılında bu olayı açıklayan Leon Cooper’dan alır ki o da Nobel Fizik Ödülü sahibidir. Yani çalışma oldukça önemlidir.

Hadi o zaman biraz da detaylara girelim. Pauli dışarlama ilkesini duymuşsunuzdur. Nedir o? Normalde aynı özelliklere sahip iki veya daha fazla fermiyonik parçacık — mesela elektron — aynı kuantum durumunda bulunamaz. Sizin az önce elektron gibi kuantum parçacığı olarak hayal edip olasılık bulutu gibi yayıldığınızı düşünmüştük ya… Şimdi o senaryoya bir de şunu ekleyelim: Bir tek yumurta ikiziniz var, her özelliğiniz birebir aynı.

İşte Pauli dışarlama ilkesine göre ikizinizle aynı kuantum durumuna artık yayılamazsınız; kuantum mekaniğinde buna izin yok. Ancak atıyorum, belirli özellikler bakımından ayrıştığınız çift yumurta bir ikiziniz varsa — örneğin bu kuantum mekaniğinde “spin” dediğimiz bir özellik olabilir; hayali senaryomuzda da cinsiyet olsun — cinsiyeti farklı bir ikizinizle aynı kuantum durumunu paylaşabilirsiniz.

Peki süperiletkenlerdeki elektronlar Cooper çiftlerini oluşturduğunda, bu çiftler de kolektif bir şekilde kendilerini ortak bir dansa bulmuyor mu? E o zaman süperiletkenlerdeki elektronlar Pauli dışarlama ilkesine uymuyor mu diyeceğiz?

Aslında burada hiçbir sorun yok; çünkü onlar bireyselliklerini belli oranda kaybediyor ve ortak bir yapıda bütünleşiyorlar. Bunun anlamı, Cooper çiftlerinin tek bir birim — yani tek bir kuantum mekanik sistemi, tek bir dalga fonksiyonu — olarak tanımlanabilir hale gelmesidir.

Bakın, az önceki cümle yanlış anlaşılmaya mahal vermesin diye bunu farklı bir şekilde söylemem lazım. Çünkü az önce “tek bir Cooper çifti tek bir dalga fonksiyonuna dönüşür” demek istemedim; Cooper çiftlerinin tamamının kolektif bir şekilde büyük, tek bir dalga fonksiyonuyla tanımlanabilmesinden bahsettim.

Ve olası bir yanlış anlamayı önlemişken, tam da bu noktada Nobel komitesinin sunduğu bir görsel üzerinden devam etmek istiyorum.

( Görsel-4)

Yukarıdaki bu görsel, normal bir iletken içindeki serbest elektronları gösteriyor. Normal bir iletkende elektronlar birbirleriyle ve malzeme ile çarpışır

Şimdi de bir yalıtkan malzeme ile ayrılmış iki tane süper iletkene bakalım. Bu durumda çarpışma falan yok; elektronlar Cooper çiftleri olarak birleşmiş ve direnç yaratmadan bir akım oluşturuyorlar. Fakat ortadaki boşluğun — yani yalıtkanın — özel bir önemi var.

( Görsel-5 Süper iletken içindeki Cooper çiftleri )

 Eğer iki süperiletken ince bir yalıtımla birleştirilirse Josephson bağlantısı adı verilen bir bağlantı ortaya çıkar. Böyle bir sistemde Cooper çiftleri, tüm elektrik devresini dolduran tek bir parçacıkmış gibi davranabilir ve kuantum mekaniği bu kolektif durumu paylaşılan tek bir dalga fonksiyonu kullanarak açıklar.

( Görsel-6 iki süper iletken arasındaki yalıtkanı tünellemiş Cooper çifti)

Çünkü ilk başta iki farklı süperiletken bulunuyor; dolayısıyla onları tanımlayan farklı dalga fonksiyonları var. Aradaki yalıtkan kısım bir nevi “yasaklı bölge.” Ancak her iki taraftan Cooper çiftlerinin dalga fonksiyonu bu yasaklı bölgeye sızmaya başlar ve iki taraftan gelen dalga fonksiyonları birbirinin üzerine biner.

Eğer sızma yeteri kadar fazlaysa, bir süre sonra dalga fonksiyonları birbirlerine kilitlenir. İşte bu koşullar altında Cooper çiftleri, bariyeri parçalamadan tünelleyebilir. Bir diğer deyişle, bağlantı noktası zayıf bir süperiletken görevi görür.

JOSEPHSON BAĞLANTISI

( Görsel-7 Josephson bağlantısının devre görseli)

Ha, bu arada Brian Josephson’ın da Nobel Fizik Ödülü’nü kazandığını söylemekte fayda var. Onun çalışmaları da hayli önemliydi.

Josephson bağıntısında, iletkenin bir ucundan akım geçtiğini düşünün ve bu sırada yalıtkan malzemenin iki tarafından da voltaj okuması yapıyorsunuz. Burada bağlantı iki farklı şeyle karakterize edilir.

Birincisi, kritik akım — görselde ki I₀. Bu, bir süperiletkenin kendi özelliklerini kaybetmeden taşıyabileceği maksimum akımı temsil eder. Bizim durumumuzda kritik akım, bağlantı noktasından geçebilecek maksimum süper akıma bağlıdır.

İkincisi ise kapasitans (C) ile gösterilir. Bu, bir sistemin elektrik yükü depolama yeteneğidir. Direnç ise — yani görseldeki R — devredeki enerjinin yayılmasını modeller.

Şimdi teori bize şunu diyor: Kritik akımın altına kadar akım bariyer boyunca akmaya devam edebilir; elektron çiftleri bir direnç olmadan bariyerden tünelleme ihtimaline sahiptir.

Ancak akım kritik akımın üstüne çıktığında bağlantı boyunca ekstra bir voltaj belirir, çünkü artık normal akım devreye girmiştir. Ve bu voltaj zamana bağlıdır.

2025 NOBELİN HİKAYESİ

Buraya kadar kuantum dalga fonksiyonunu, tünellemeyi, süperiletkenliği ve Josephson bağlantısını inceledik. Artık geriye tek bir şey kalıyor: 2025 Nobel Fizik Ödülü sahiplerini hikâyeye dahil etmek ve kuantum tünellemesini makroskopik dünyaya taşımak.

Bunun için 1980 civarlarına gitmeliyiz. John Clarke, 1968 yılında doktorasını tamamladıktan sonra Amerika Birleşik Devletleri’ndeki Berkeley Üniversitesi’nde çalışmaya başlıyor. Araştırma konuları genel olarak süperiletkenler ve Josephson bağıntısı üzerineydi.

1980’lerin ortasına gelindiğinde Michael Devoret ekibine doktora sonrası araştırmacı olarak katılıyor. Ki o sıralarda orada bir doktora öğrencisi daha var: John Martinis. Yani 2025 Nobel Fizik Ödülü’nü kazanan üçlünün yolu böyle kesişiyor ve ortaklaşa yürüttükleri çalışma, makroskopik kuantum tünellemesini deneysel olarak göstermek.

İlk olarak yaptıkları iş, elbette az önce anlattığıma benzer bir deney düzeneği kurmaktı. Ama artık deneydeyiz, teoride değil; sistemi dış faktörlere karşı olabildiğince korumaları gerekiyordu.- Buradaki dış etmenlerden kastı dekoherans yani süper iletkenlik durumunun bozulma durumu tetikleyecek etmenlerdir.- Bunu hallettikten sonra Josephson bağlantısına hafif bir akım veriyorlar.

Tabii ki ilk başta direnç üzerinden voltaj okumadılar; 0 voltaj durumudur, akım kritik akımın üstünde değilken zaten bunu beklersiniz. Ancak kuantum mekaniğine göre bu yine sonsuza kadar sürmez. Çünkü Josephson bağıntısında sistem sanki potansiyel duvarlar arasında “tutuluyor” gibidir. Ancak 0 voltaj durumu bir kuantum durumuysa, bir noktada akım tünelleme ile kaçıp voltajın açığa çıkmasına neden olmalı.

Yani bir süre sonra sistem, sıfır voltaj durumundan adeta “kaçıyor” ve ortaya voltaj çıkıyor. İşte ekibin amacı, sistemin tünelleme ile ne kadar sürede voltaj oluşturduğunu anlamaktı.

Çok sayıda ölçüm alıp sonuçları grafikler hâlinde çizdiler ve bunlardan 0 voltaj durumu süresini okudular. Deneyin sonuçları, Cooper çiftlerinin senkronize hareketi sırasında nasıl tek bir parçacık gibi davrandığını gösteriyordu.

Üstelik mikrodalgalarla sistemi daha yüksek bir enerji seviyesine getirdiklerinde tünelleme ihtimali artıyordu ki standart kuantum parçacıklarında da durum böyledir. Fazla sayıda Cooper çiftlerinden oluşan makroskopik bir devre akımı — yani milyonlarca elektron —ama yine de bir kedinin yavrusundan katbekat daha küçüktür.

Ancak deney yine de Schrödinger’in hayali kedisine oldukça benziyor. Ve bugün, en basitinden bu tarz süperiletken devreler geleceğin kuantum bilgisayarları için potansiyel bileşenlerdir.Yani 2025 Nobel Fizik Ödülü’nü kazanan çalışma, hem teorik fizik hem de uygulamalı fizik için oldukça önemli bir dönüm noktasıdır.

Kim bilir belki de bugün makroskopik tünellemenin sırlarını çözen bu çalışmalar, yarın kuantum ile klasik dünya arasındaki o görünmez sınırı tamamen aydınlatacak. Ve belki de kuantumun gerçekten nerede “makroya dönüştüğünü” söyleyen ilk net teori, bu araştırmaların içinden doğacak.

Yazar: Barış Yalçın

KAYNAKÇA

Clarke, J., Devoret, M. H., & Martinis, J. M. (2025). Macroscopic Quantum Tunneling in Josephson Junctions. Physical Review Letters.

Josephson, B. D. (1962). Possible new effects in superconductive tunnelling. Physics Letters.

Cooper, L. N. (1956). Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas. Physical Review.

Devoret, M. H., & Martinis, J. M. (2004). Quantum Superposition of Macroscopic Persistent Current States. Science.

Krausz, F. (2023). Attosecond Physics: Probing Quantum Tunneling in Real Time. Nature Physics.

Tinkham, M. (2004). Introduction to Superconductivity. Dover Publications.

Schrödinger, E. (1935). Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik. Naturwissenschaften.

Nobel Prize Committee. (2025). Scientific Background: Nobel Prize in Physics 2025. Nobel Foundation.