Brian Josephson

Nel freddo abbraccio dell'elio liquido, si manifesta un fenomeno apparentemente impossibile: una corrente elettrica fluisce senza sforzo, senza essere ostacolata dalla resistenza. Questa è la superconduttività, uno stato quantistico in cui gli elettroni si muovono in perfetta sintonia. Ma nel millenovecentosessantadue, un giovane fisico britannico, Brian Josephson, predisse qualcosa di ancora più straordinario. Propose che questa "supercorrente" potesse effettuare un tunneling quantistico attraverso una sottile barriera isolante che separa due superconduttori, un'impresa che la fisica classica riteneva impossibile.

Per cogliere l'intuizione di Josephson, dobbiamo prima comprendere la superconduttività. Scoperto da Heike Kamerlingh Onnes nel millenovecentoundici, questo stato permette a certi materiali, raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto, di condurre elettricità con resistenza zero. Gli elettroni, invece di disperdersi, si accoppiano in "coppie di Cooper"—una delicata danza quantistica che permette loro di scivolare attraverso il materiale senza impedimenti, trasportando corrente indefinitamente. Questo fenomeno quantistico macroscopico ha gettato le basi per future scoperte.

Prima di Josephson, l'idea che gli elettroni si muovessero attraverso un isolante sembrava contraddittoria. Tuttavia, i principi della meccanica quantistica consentono il "tunneling". In questo effetto controintuitivo, una particella può passare attraverso una barriera energetica, anche se non possiede abbastanza energia classica per superarla. È come se una palla potesse passare attraverso un muro senza un buco, una probabilità puramente quantomeccanica. Questo fenomeno era già stato osservato nei semiconduttori da Leo Esaki e nei superconduttori da Ivar Giaever.

Basandosi sul concetto di tunneling quantistico, Brian Josephson, allora studente di dottorato a Cambridge, fece un profondo balzo teorico. Mentre i lavori precedenti mostravano il tunneling di singoli elettroni, Josephson osò chiedere: le coppie di Cooper potevano fare tunneling? Ancora più criticamente, una supercorrente – un flusso di elettroni appaiati – poteva fare tunneling attraverso un sottile strato isolante tra due superconduttori senza che fosse applicata alcuna tensione? Questa era una partenza radicale, che prediceva un effetto quantistico macroscopico.

La previsione di Josephson, ora nota come effetto Josephson DC, affermava che una supercorrente poteva effettivamente fluire attraverso una tale "giunzione" anche senza una tensione applicata, fino a una corrente critica. Ciò significava che la funzione d'onda quantistica che descriveva le coppie di Cooper manteneva la sua coerenza, o "fase", attraverso la barriera isolante. Era una manifestazione diretta della meccanica quantistica su scala macroscopica, qualcosa di veramente sorprendente.

Oltre alla supercorrente continua, Josephson predisse anche l'effetto Josephson alternato: se una tensione viene applicata attraverso la giunzione, la supercorrente oscillerebbe a una frequenza incredibilmente precisa, proporzionale a quella tensione. Questa previsione rivoluzionaria significava che una tensione poteva essere convertita in una frequenza, e viceversa, con una precisione senza pari. Questa relazione fondamentale è diventata una pietra miliare per la metrologia di alta precisione.

Le previsioni teoriche di Josephson furono rapidamente confermate sperimentalmente nel millenovecentosessantadue-sessantatré da Philip Anderson e John Rowell ai Bell Labs. La chiarezza e la profondità del suo lavoro, sviluppato durante il suo dottorato di ricerca, gli valsero una parte del Premio Nobel per la Fisica nel millenovecentosettantatré, rendendolo uno dei più giovani laureati di sempre all'età di trentatré anni. Il suo lavoro, insieme a quello di Esaki e Giaever, dimostrò il potere della meccanica quantistica nello spiegare i fenomeni macroscopici.

Una delle applicazioni più notevoli dell'effetto Josephson è il dispositivo superconduttore a interferenza quantistica, o SQUID. Questi magnetometri incredibilmente sensibili possono rilevare campi magnetici milioni di volte più deboli del campo magnetico terrestre. Gli SQUID sfruttano l'interferenza quantistica delle supercorrenti che passano per effetto tunnel attraverso due giunzioni Josephson parallele, creando un rilevatore di campo magnetico altamente sensibile.

Gli SQUID hanno rivoluzionato campi che vanno dalla medicina, mappando i campi magnetici incredibilmente deboli prodotti dall'attività cerebrale (magnetoencefalografia, MEG), alla geologia, rilevando sottili anomalie magnetiche in profondità. Oltre agli SQUID, le giunzioni Josephson sono componenti fondamentali nel calcolo quantistico, agendo come qubit superconduttori. Il loro preciso comportamento quantistico, previsto da Josephson, offre un percorso per sbloccare una potenza computazionale senza precedenti.

Il lavoro pionieristico di Brian Josephson ha collegato il mondo microscopico della meccanica quantistica con fenomeni macroscopici osservabili. Le sue equazioni, derivate quando era ancora studente, non solo hanno rivelato un nuovo effetto quantistico, ma hanno anche dato vita a una generazione di sensori ultra-sensibili e hanno gettato le basi per le future tecnologie quantistiche. La sua eredità ci ricorda che anche le previsioni teoriche più astratte possono rimodellare drasticamente la nostra comprensione della fisica e alimentare le innovazioni di domani.