Brian Josephson

Sıvı helyumun soğuk kucağında, görünüşte imkansız bir fenomen ortaya çıkar: bir elektrik akımı zahmetsizce, direnç tarafından engellenmeden akar. Bu, elektronların mükemmel bir uyum içinde hareket ettiği bir kuantum durumu olan süperiletkenliktir. Ancak bin dokuz yüz altmış iki'de, genç bir İngiliz fizikçi olan Brian Josephson, daha da olağanüstü bir şey öngördü. Bu 'süper akımın', iki süperiletkeni ayıran ince bir yalıtkan bariyer boyunca kuantum tünelleme yapabileceğini öne sürdü; bu, klasik fiziğin imkansız kabul ettiği bir başarıydı.

Josephson'ın içgörüsünü kavramak için öncelikle süperiletkenliği anlamamız gerekir. Heike Kamerlingh Onnes tarafından bin dokuz yüz on bir'de keşfedilen bu durum, mutlak sıfıra yakın soğutulan belirli malzemelerin elektriği sıfır dirençle iletmesini sağlar. Elektronlar, saçılmak yerine, "Cooper çiftleri" halinde eşleşirler; bu hassas kuantum dansı, onların malzeme içinde engellenmeden kaymalarına ve akımı süresiz olarak taşımalarına olanak tanır. Bu makroskopik kuantum fenomeni, gelecekteki çığır açıcı gelişmelerin temelini atmıştır.

Josephson'dan önce, elektronların bir yalıtkanın içinden hareket etmesi fikri çelişkili görünüyordu. Ancak, kuantum mekaniği prensipleri 'tünellemeye' izin verir. Bu sezgiye aykırı etkide, bir parçacık, onu aşmak için yeterli klasik enerjiye sahip olmasa bile, bir enerji bariyerinden geçebilir. Sanki bir top, delik olmadan bir duvardan geçebilirmiş gibi, tamamen kuantum mekaniksel bir olasılık. Bu fenomen, yarı iletkenlerde Leo Esaki tarafından ve süper iletkenlerde Ivar Giaever tarafından zaten gözlemlenmişti.

Kuantum tünelleme kavramından yola çıkarak, o zamanlar Cambridge'de doktora öğrencisi olan Brian Josephson, derin bir teorik sıçrama yaptı. Önceki çalışmalar tek tek elektronların tünellemesini gösterirken, Josephson şunu sormaya cesaret etti: Cooper çiftleri tünelleyebilir miydi? Daha da önemlisi, bir süperakım -eşleşmiş elektronların akışı- iki süperiletken arasındaki ince bir yalıtım katmanından herhangi bir voltaj uygulanmadan tünelleyebilir miydi? Bu, makroskopik bir kuantum etkisini öngören radikal bir ayrılıktı.

Josephson'ın şimdi DC Josephson etkisi olarak bilinen tahmini, böyle bir 'eklem' boyunca, uygulanan bir voltaj olmasa bile, kritik bir akıma kadar bir süper akımın akabileceğini belirtiyordu. Bu, Cooper çiftlerini tanımlayan kuantum mekaniksel dalga fonksiyonunun, yalıtkan bariyer boyunca tutarlılığını veya 'fazını' koruduğu anlamına geliyordu. Bu, makroskopik ölçekte kuantum mekaniğinin doğrudan bir tezahürüydü, gerçekten şaşırtıcı bir şeydi.

DC süperakımının ötesinde, Josephson aynı zamanda AC Josephson etkisini de öngörmüştür: eğer eklem boyunca bir voltaj uygulanırsa, süperakım o voltajla orantılı, inanılmaz derecede hassas bir frekansta salınım yapacaktır. Bu çığır açan tahmin, bir voltajın eşsiz bir doğrulukla bir frekansa dönüştürülebileceği ve bunun tersinin de mümkün olduğu anlamına geliyordu. Bu temel ilişki, yüksek hassasiyetli metrolojinin bir köşe taşı haline gelmiştir.

Josephson'ın teorik tahminleri, bin dokuz yüz altmış iki - altmış üç yıllarında Bell Labs'ta Philip Anderson ve John Rowell tarafından deneysel olarak hızla doğrulandı. Doktora çalışmaları sırasında geliştirdiği çalışmalarının netliği ve derinliği, ona bin dokuz yüz yetmiş üç yılında Nobel Fizik Ödülü'nün bir kısmını kazandırdı ve otuz üç yaşında en genç ödül sahiplerinden biri oldu. Esaki ve Giaever'in çalışmalarıyla birlikte, onun çalışmaları, makroskopik fenomenleri açıklamada kuantum mekaniğinin gücünü gösterdi.

Josephson etkisinin en dikkat çekici uygulamalarından biri, Süperiletken Kuantum Girişim Cihazı veya SQUID'dir. Bu inanılmaz derecede hassas manyetometreler, Dünya'ın manyetik alanından milyonlarca kat daha zayıf manyetik alanları tespit edebilir. SQUID'ler, iki paralel Josephson eklemi üzerinden tünelleyen süperakımların kuantum girişimini kullanarak son derece hassas bir manyetik alan dedektörü oluşturur.

SQUID'ler, tıptan jeolojiye kadar birçok alanda devrim yaratmıştır; beyin aktivitesinin ürettiği inanılmaz derecede zayıf manyetik alanları haritalamaktan (manyetoensefalografi, MEG) yer altındaki hafif manyetik anormallikleri tespit etmeye kadar. SQUID'lerin ötesinde, Josephson eklemleri, süperiletken kübitler olarak görev yaparak kuantum bilişimde temel bileşenlerdir. Josephson tarafından öngörülen hassas kuantum davranışları, eşi benzeri görülmemiş bir hesaplama gücünün kilidini açmaya giden bir yol sunmaktadır.

Brian Josephson'ın öncü çalışması, kuantum mekaniğinin mikroskobik dünyası ile makroskobik gözlemlenebilir fenomenler arasında bir köprü kurdu. Bir öğrenciyken türettiği denklemler, yalnızca yeni bir kuantum etkisini ortaya çıkarmakla kalmadı, aynı zamanda ultra hassas sensörlerden oluşan bir nesil yarattı ve gelecekteki kuantum teknolojileri için temel unsurları attı. Mirası bize, en soyut teorik tahminlerin bile fizik anlayışımızı önemli ölçüde yeniden şekillendirebileceğini ve yarının yeniliklerine güç verebileceğini hatırlatıyor.