Thursday, 25 December 2025

FLASH Radiotherapy: A New Possibility in Cancer Treatment

 



Cancer is the disease before which humanity feels the most helpless. Every year, the number of cancer patients continues to rise at an alarming rate. It is estimated that one in every five people worldwide will develop cancer at some point in their lifetime.

All countries maintain detailed statistics on cancer patients. Yet, in many parts of the world, a large number of people die from cancer before the disease is even diagnosed. These deaths are not included in official statistics. According to the latest data from the International Agency for Research on Cancer (IARC), nearly 20 million new cancer cases were diagnosed globally in 2022 alone. In that single year, more than 9.7 million people died from cancer [1].

Due to major advances in science, technology, and medicine, human life expectancy has increased significantly. This has had a direct impact on the number of cancer patients. As people live longer, the likelihood of developing cancer in old age also increases. As a result, the number of cancer patients is rising sharply every year.

Based on an analysis of current statistics, scientists estimate that by 2030, the annual number of new cancer cases worldwide will rise to approximately 24 million, while about 12 million people will die from cancer each year. By 2040, this rate will increase further, with nearly 30 million new cases annually and more than 15 million deaths. By 2050, the situation will worsen even more: around 35 million new cancer cases will be diagnosed each year, and the mortality rate will exceed 50 percent. This means that one out of every two cancer patients will die. These figures are nothing short of a slap in the face for modern medical science.

There was a time when cancer was considered a disease of the wealthy. Statistics from the last century support this notion. For example, the percentage of cancer patients in Australia was much higher than in poorer African countries. One major reason was that average life expectancy in Africa was much lower than in Australia. Many people in Africa died from other treatable diseases long before reaching the average age at which cancer typically develops. But the world has changed significantly. The benefits of global development have reached even the most remote corners of the planet. In most countries, life expectancy has increased. Cancer is no longer a disease of the rich alone.

However, a serious problem remains. Because conventional cancer treatments are highly technology-dependent and extremely expensive, cancer care has not yet become universally accessible. As a result, mortality rates among cancer patients in wealthy countries are much lower than those in poorer nations.

In Bangladesh, 167,000 new cancer cases were diagnosed in 2022, and in the same year, nearly 117,000 people died from cancer. There are numerous obstacles to cancer diagnosis in Bangladesh. The healthcare system is fragile for various reasons. Many patients die from cancer before it is diagnosed, or it is detected only at a very late stage. Consequently, the annual cancer mortality rate in Bangladesh exceeds 70 percent.

This does not mean that cancer is untreatable. There are various treatments available, and a significant number of patients do recover. However, the main challenge is that the primary cause of cancer remains unknown. Because of this, medical science has not yet been able to identify a definitive method for cancer prevention. Since the root cause is unknown, cancer evokes intense fear among people and gives rise to numerous theories and claims—most of which remain unresolved.

Even though the root cause of cancer has not been identified, one fact is certain: cancer is not an infectious disease. Cancer is a cellular disease. Normal cells within the body transform into cancer cells. Scientists understand the process of this transformation, but they cannot predict when a normal cell will become cancerous. Although the transformation of cancer cells can be described scientifically, why it occurs remains unknown.

A cell’s functions are encoded in its DNA. There are clear differences between the DNA of normal cells and that of cancer cells. Abnormal changes in DNA disrupt normal cellular behavior, turning healthy cells into cancer cells. Cancer cells no longer obey the body’s natural biological instructions. A normal cell divides a fixed number of times and then undergoes natural death. Cancer cells do not follow this programmed death process. Therefore, killing cancer cells by any means necessary forms the foundation of cancer treatment.

Among conventional cancer treatments, one of the most important methods is the use of ionizing radiation to destroy cancer cells. Different treatment techniques have been developed based on how radiation is delivered to tumors containing cancer cells.

Most cancer patients receive chemotherapy, in which chemical radioactive substances are introduced into the body and directed toward cancer cells. If a tumor can be removed surgically, surgery is performed. Nearly half of all patients receive radiation from outside the body—a treatment known as radiotherapy. Radiotherapy has long been a reliable method of cancer treatment.

Eliminating cancer by destroying cancer cells is difficult because cancer cells are intermingled with normal cells. It is not possible to destroy all cancer cells at once, as doing so would also damage the surrounding healthy cells. If too many normal cells are destroyed, the body’s normal functions are disrupted, harming the patient rather than helping them. Therefore, in conventional radiotherapy, radiation is carefully administered so that cancer cells are destroyed while the functions of normal cells are preserved [2].

To protect normal cells from the harmful effects of radiation, conventional radiotherapy exploits certain biological differences between cancer cells and normal cells. For example, normal cells can automatically repair damaged DNA if they are given sufficient time. Therefore, instead of delivering a high dose of radiation all at once, conventional radiotherapy administers small doses at regular intervals. The interval between two radiation sessions (usually about 24 hours) allows the normal cells damaged by radiation to repair themselves through DNA repair mechanisms. Cancer cells generally lack this ability.

Cancer cells typically have lower oxygen supply than normal cells. When oxygen levels are low, the effectiveness of radiation decreases. As a result, destroying hypoxic (low-oxygen) cancer cells requires higher radiation doses, but such doses would severely damage surrounding normal cells. To avoid this, radiation doses must be kept lower, which leads to longer treatment durations, increased costs, and greater patient suffering.

Efforts to improve radiotherapy have been ongoing for decades. While incremental improvements have been achieved, no truly revolutionary breakthrough has occurred. Recently, however, scientists have begun to see the potential for extraordinary benefits in cancer treatment through a new approach known as FLASH radiotherapy, which delivers ultra-high-dose radiation [3,4].

FLASH radiotherapy is a technology that delivers an extremely high dose of radiation (greater than 40 Gy per second) to the body within an ultra-short time frame (milliseconds). In conventional radiotherapy, delivering just a few grays of radiation takes several minutes, whereas FLASH radiotherapy delivers the prescribed dose in less than one second. Remarkably, this rapid, ultra-high-dose radiation appears to destroy cancer cells effectively while causing significantly less damage to normal cells. This raises a critical question: How is this possible? If normal cells are damaged even at low radiation doses, how can they tolerate ultra-high doses?

Studies conducted on mice and pigs have shown that FLASH radiotherapy can effectively destroy cancer cells while sparing normal tissue. In 2019, FLASH radiotherapy was experimentally applied to a human patient for the first time in Switzerland. Currently, clinical trials are underway in the United States, France, and several European countries to evaluate its effectiveness. Scientists are testing various hypotheses to determine why normal cells survive FLASH radiotherapy.

The most widely accepted explanation for the survival of normal cells under ultra-high-dose radiation delivered in an extremely short time is the oxygen depletion hypothesis.

In conventional low-dose radiotherapy, radiation induces chemical reactions within biological cells that produce free radicals. In the presence of oxygen, these free radicals are converted into harmful peroxides, which damage DNA. Oxygen makes DNA damage permanent, preventing cells from repairing it through normal biological processes. However, if oxygen levels are low or absent, these free radicals cannot cause permanent DNA damage. As a result, even if DNA is temporarily damaged, cells can repair it naturally.

In FLASH radiotherapy, a very high dose of radiation is delivered within milliseconds. This produces an enormous number of free radicals that rapidly consume surrounding oxygen. Oxygen is depleted so quickly that cells experience temporary hypoxia. As a result, fewer peroxides are formed in normal cells, leading to less permanent DNA damage. Tumor cells, however, are often already hypoxic, so the oxygen-depletion effect of FLASH radiotherapy does not significantly protect them.

This hypothesis has been supported by experiments conducted on mice and other animals, suggesting the potential for a new revolution in cancer treatment. However, the path forward remains long. Different cell types absorb oxygen in different ways and at different rates. Moreover, radiation interacts differently with human cells than with animal cells, and radiation sensitivity varies across tissues. Therefore, the oxygen depletion hypothesis is not yet conclusively proven.

Even if this hypothesis is validated, significant challenges remain before FLASH radiotherapy can be widely applied in clinical practice. Technologies capable of delivering radiation at such ultra-high dose rates do not yet exist. The linear accelerators used in conventional radiotherapy cannot produce FLASH radiation. Another major challenge is the absence of reliable dosimeters capable of accurately measuring such high dose rates. Without precise dosimetry, it is impossible to deliver controlled radiation doses to patients. From a technological standpoint, FLASH radiotherapy is expected to be far more expensive than conventional radiotherapy, raising concerns that cancer treatment could once again become accessible only to the wealthy.

Despite these limitations, FLASH radiotherapy holds the potential to revolutionize future cancer treatment, particularly for cancers located in radiation-sensitive organs such as the brain and lungs. If ongoing research is successful, it could enable faster treatments, fewer side effects, and more effective outcomes.


References

1. Global Cancer Observatory, Cancer Today, 2024.

2. Pradip Deb, Physics in Diagnosis and Therapy, Prothoma, Dhaka, 2023.

3. Frontiers in Oncology, Volume 9, Article 1563, January 2020.

4. Oncology Letters, Volume 28, Article 602, 2024.


Radioactive Superheroes: Science, Myth, and Misconception

 



We are all familiar with Dr. Robert Bruce Banner, a nuclear physicist. But we are even more familiar with his second persona, the Hulk—who, when enraged, transforms from a human into an immensely powerful “monster” and smashes everything in sight. Both characters are fictional, created from a small dose of science mixed with a large measure of imagination.

Many more such superheroes and supervillains have been created in comic books, short stories, novels, films, and television series.

The journey of comic books as a new storytelling medium using cartoons began in 1897 with the publication of “The Yellow Kid in McFadden’s Flats.” The first superhero of science fiction was Superman. Superman’s journey began in 1938 with the first issue of Action Comics, published by America’s National Allied Publications.

At that time, astronomers around the world were preparing spacecraft with the goal of venturing into outer space. This spirit was reflected in the characters of Action Comics. Superman was born on a fictional planet called Krypton, which orbited a red star named Rao. When Kryptonian scientists Jor-El and Lara-El realized that their planet was about to be destroyed, they built a small spacecraft and placed their only child, Kal-El, inside it. Krypton was subsequently destroyed. After travelling across vast stretches of space, Kal-El arrived-on Earth. Here he acquired extraordinary strength, incredible speed, the ability to fly, and X-ray vision—thus becoming our Superman.

Inspired by Superman’s popularity, one superhero and supervillain after another began to appear. Batman, Joker, Captain America, Wonder Woman, Supergirl, Spider-Man, Hulk, Thor, X-Men, Iron Man—all are physically extraordinarily powerful. Many established laws of conventional science do not apply to them. They can defy gravity; neither Newton’s laws of motion nor the law of conservation of energy seem capable of governing their actions. They obey neither Einstein’s special nor general theory of relativity. They casually employ what seems impossible in real science—such as quantum tunnelling and entanglement. These fictional characters erase the limitations of real science through imagination.

In many cases, radioactive radiation is portrayed as the source of the immense power within superheroes. In the process of crafting science-fiction stories, radiation science has been consistently misused. Let us look at a few examples.

(1) The Incredible Hulk


Bruce Banner, a nuclear scientist at a U.S. government research laboratory, was a perfectly polite and responsible gentleman. While developing a gamma bomb, he noticed during a test that a young man had accidentally entered the danger zone. Trying to save the youth, Rick Jones, Banner was severely injured by the blast. Under the influence of radioactive gamma rays, the DNA of his body and nerve cells changed in such a way that whenever he became angry, all his muscles swelled enormously, transforming him into a powerful green monster—the Hulk. The angrier he became, the greater his destructive power.

Trying to reconcile this story with real science creates problems. It is true that radiation can cause changes in DNA. If the dose is very high, DNA structures can be destroyed, cells can die, and the person may die as well. But there is no scientifically demonstrable evidence that radiation can turn a human into such a monster.

(2) Spider-Man


School student Peter Parker visited a science exhibition. During a display on genetic engineering, a spider accidentally wandered into a stream of radioactive particles and became radioactive. When this spider bit Peter Parker, its altered DNA entered his body. As a result, Peter gained immense strength. Like a giant spider, he could climb vertical walls, spin webs, and hang from them.

Here too, science has been grossly misused. A bite from a highly venomous spider can kill a human—but a human cannot turn into a spider.

(3) Radioactive Man



Chinese nuclear physicist Chen Lu deliberately exposed himself to radiation in his laboratory to turn himself into a living nuclear reactor. Absorbing massive amounts of nuclear radiation, he became a source of destructive radioactivity himself—thus becoming Radioactive Man. He could emit radiation from his body at will to destroy others and could also absorb radiation emitted from external sources.

The exaggeration of nuclear physics here is obvious. Even a small nuclear reactor requires enormously complex infrastructure—could all of that exist inside a human body?

(4) Doctor Manhattan


Physicist Jon Osterman was accidentally trapped in a powerful electric field during a dangerous experiment. His entire body was vaporized. Yet he did not die. Months later, his body slowly reassembled cell by cell, transforming him into the strange blue, jelly-like being Doctor Manhattan, who could control mass, energy, and time.

Here too, the physics of matter–energy transformation has been wildly exaggerated. No known laws of nuclear physics can make such a transformation possible.

(5) Firestorm

DC Comics’ Firestorm is often compared to nuclear fusion. In the story, physicist Martin Stein and his student Ronnie Raymond are fused together during an explosion at a nuclear power plant, creating Firestorm—a being capable of producing nuclear energy.

The extreme distortion of science here is obvious. It is impossible for two humans to merge into a nuclear fusion reactor.

(6) Captain Atom



In the story, Nathaniel Adam was a military scientist. He died in a horrific nuclear explosion. Years later, he reappears as a metallic man capable of drawing energy from the quantum field.

Here, the concepts of quantum fields and atomic theory are misused to create a confusing fantasy that suggests even metal can possess life.






(7) The Leader

In Marvel Comics, Samuel Sterns was a janitor. Instead of dying from radiation exposure leaking from a laboratory, his brain cells were altered, making him super-intelligent. Using his intellect, he attempts to defeat the Hulk.

Once again, the nature of radioactivity is distorted. An increase in intelligence due to radiation exposure is impossible.

(8) Nuclear Man



In the fourth Superman series, nuclear physics is abused so severely that it is shocking. In the story, Superman’s DNA is combined with a nuclear missile and launched into the Sun. A reaction with solar energy creates Nuclear Man, who possesses all of Superman’s abilities and strength. By absorbing sunlight, Nuclear Man becomes immensely powerful.

Although ancient myths speak of humans being born from the Sun, everyone knows that this is impossible.

It appears that almost all superheroes in science fiction are, in one way or another, influenced by radiation. Nearly all of these characters were created during the Cold War era, a time marked by competition to develop nuclear weapons. The devastation unleashed by the United States through the atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki indirectly influenced the creation of these superheroes and supervillains, reflecting the dawn of an age of destruction.

Some sociologists believe that, in these stories, science has been used metaphorically to convey the destructive consequences of nuclear power. The aggressive rivalry among nuclear-armed nations is mirrored symbolically in these science-fiction narratives. Behind the façade of fantasy, these stories portray an allegorical reflection of real-world conflicts driven by nuclear power.

Whether or not there was a conscious social purpose, the exaggerated and often incorrect portrayal of the power, nature, and capabilities of radioactive radiation in the creation of superhero and supervillain characters ultimately serves the purpose of entertainment. However, this entertainment indirectly helps to foster misconceptions about nuclear energy and radiation among the public.

In almost all these characters, radiation is shown to alter cellular DNA, giving rise to bizarre abilities. Humans acquire monstrous strength, the power to fly, the ability to emit nuclear energy from their bodies, or even to project X-rays from their eyes and see through objects.

Under the banner of science fiction, science has been recklessly misused in these stories. So what, then, is the real science of radiation?

Radiation is a flow of energy. It can broadly be classified into two types: radiation carried by particles and radiation carried by waves. When particles such as electrons, protons, or alpha particles carry more energy than required for their stable energy states, they can ionize matter upon interacting with it, causing ionization. Any remaining excess energy is then emitted in the form of electromagnetic waves.

According to quantum theory, the energy of a wave depends on its frequency—the higher the frequency, the greater the energy, and the shorter the wavelength. Among visible light, violet has the shortest wavelength. Shorter wavelengths than violet correspond to ultraviolet radiation. Shorter still are X-rays and gamma rays. X-rays originate from transitions involving electrons in atomic orbitals, while gamma rays are emitted from the atomic nucleus, arising from excited energy states of protons or neutrons. Radioactive elements emit gamma rays spontaneously.

When X-rays or gamma rays enter the human body, the fraction absorbed versus transmitted depends on their energy. Absorption of X-rays or gamma rays does not make a person or any material radioactive for a long period. A human becomes radioactive only when a radioactive isotope enters the body. Our bodies naturally contain small amounts of radioactive calcium and potassium; therefore, the human body emits a very small amount of radiation. However, this emission is so weak that it is even less than the radiation received from sunlight.

Let us now examine the harmful effects of radiation on the human body. Excessive radiation can break the bonds in the DNA located within the nucleus of living cells. If the damage is minor, DNA repair mechanisms can fix it. If the damage is extensive, cells die. When many cells die simultaneously, normal bodily functions are disrupted, organs lose functionality, and if most cells die rapidly, death can occur. However, radiation can never turn a human body into a nuclear power station.

When DNA bonds break, the body’s automatic repair systems attempt to rejoin them. During this process, errors may occur. Sometimes cells divide with faulty DNA, leading to the formation of cancerous cells. This is how radiation exposure increases the risk of cancer. But radiation can never transform someone into the Hulk or Spider-Man. If brain cells absorb excessive radiation, neurons die and brain function deteriorates. There is no possibility of the opposite occurring—that is, radiation cannot suddenly transform a person from unintelligent to super-intelligent.

If the abilities of fictional superheroes remain within the realm of fairy tales, there is no danger. But if we attempt to place them within the domain of science, then careful thought and critical reasoning are essential.


References

1. Barry Fitzgerald, Physics Education, Vol. 54, 015019 (2019).

2. Mark Brake, The Science of Superheroes, Racehorse Publishing, New York, 2018.

3. James Kakalios, The Physics of Superheroes, Gotham Books, New York, 2009.


Macroscopic Quantum Tunnelling: The Science Behind the 2025 Nobel Prize in Physics

 


Even though physicists do not believe in ghosts, they have no way of denying the strange, almost ghost-like behaviour of quantum mechanics. To mark the centenary of quantum mechanics—especially of its working equations—this year (2025) is being celebrated worldwide as the Quantum Year: Year of Quantum Science and Technology.

Quantum science occupies the deepest layer of all theories of science and technology in the modern world. From the most fundamental particles, the quarks, to the vast universe itself, quantum science extends across every scale.

Yet the theories of quantum science are sometimes so unbelievable that even a Nobel Prize–winning scientist for research in quantum mechanics once exclaimed in frustration: “There is actually no such thing as the quantum world. The quantum state exists only inside my head, where I use it to do calculations. At best, a quantum state describes some information—it has very little resemblance to the real world.”

Very recently, these remarks about quantum mechanics were made by Anton Zeilinger, a quantum physicist at the University of Vienna, who received the 2022 Nobel Prize in Physics for the experimental verification of principles of quantum mechanics [1].

From modern mobile phones to space-faring satellites, quantum mechanics is used everywhere today. Yet there was a time when even quantum scientists themselves did not believe that quantum science could have any practical applications. Two of the principal architects of quantum mechanics, Erwin Schrödinger and Paul Dirac, received the Nobel Prize in 1933. Dirac was only 31 years old at the time, while Schrödinger was 46. When journalists asked what use quantum mechanics would be to humanity, Paul Dirac replied rather curtly, “It will be of no use.” When asked whether it might be useful in the future, he answered, “It will be of no use in the future either” [2]. And yet today we have reached a point where the question must instead be: “Is there any field in which quantum mechanics is not used?”

For the past hundred years, scientists have been working to turn quantum mechanics into something practically useful. What began in 1900 with Max Planck as merely a set of strange, almost ghost-like theories has, a century later, become a vehicle for immensely powerful technologies. In the twenty-first century, we are on the verge of seeing the dream of quantum computers become reality. This reality is built upon the foundations of quantum electronics, or quantronics, and three of its leading architects—John Clarke, Michel Devoret, and John Martinis—have received the Nobel Prize in Physics this year.



Nobel Prizes for quantum science are by no means a surprising or new phenomenon. Over the past hundred years, more than forty scientists have received the Nobel Prize in Physics for research directly connected with quantum mechanics. Beginning in 1918 with Max Planck, who received the first Nobel Prize for the quantisation of energy, the list continues with Albert Einstein (1921—photoelectric effect), Niels Bohr (1922—atomic model), Arthur Compton (1927—Compton effect), Louis de Broglie (1929—matter waves), Werner Heisenberg (1932—uncertainty principle), Paul Dirac and Erwin Schrödinger (1933—quantum theory of the atom), Wolfgang Pauli (1945—exclusion principle), Max Born (1954—quantum wave function), Shin’ichirō Tomonaga, Julian Schwinger, and Richard Feynman (1965—quantum electrodynamics), John Bardeen, Leon Cooper, and Robert Schrieffer (1972—BCS theory of superconductivity), Klaus von Klitzing (1985—quantised Hall effect), Gerd Binnig and Heinrich Rohrer (1986—scanning tunnelling microscope), Robert Laughlin, Horst Störmer, and Daniel Tsui (1998—quantum fluids), Gerardus ’t Hooft and Martinus Veltman (1999—quantum structure of the electroweak interaction), Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg, and Anthony Leggett (2003—theory of superconductors and superfluids), Roy Glauber (2005—quantum theory of optical coherence), Serge Haroche and David Wineland (2012—experimental methods for individual quantum systems), Alain Aspect, John Clauser, and Anton Zeilinger (2022—experimental tests of quantum mechanics), and John Clarke, Michel Devoret, and John Martinis (2025—macroscopic quantum tunnelling).

As you can see, up to 1972 all Nobel Prizes awarded for quantum mechanics were based on theoretical work. There is a reason for this. In the first fifty years of the twentieth century, quantum theory was enriched by the interpretations and analyses of many scientists. By analysing the wave function in Schrödinger’s equation, numerous physical phenomena could be explained that classical physics had previously failed to account for—for example, the emission of alpha particles in nuclear reactions.

Soon after Schrödinger’s equation was published in 1926, the German physicist Friedrich Hund discovered in 1927 the possibility of quantum tunnelling within molecular energy levels. Analysis of the wave function showed that certain seemingly impossible processes could, in theory, become possible. Quantum tunnelling is one such phenomenon. Suppose a quantum particle encounters a high barrier that it lacks the energy to cross. Classical physics would state with certainty that the probability of the particle crossing the barrier is zero—that is, the particle must remain on the near side of the wall. But according to the quantum wave function, a particle can also exist in the form of a wave. In that case, the probability that the particle, in its wave form, reaches the other side of the barrier is not zero. A non-zero probability means that the particle can indeed pass through the barrier to the other side—despite not having the required energy. An unquestionably unbelievable possibility.

But it was precisely this astonishing phenomenon of quantum tunnelling that physicists George Gamow, Edward Condon, and Ronald Gurney used in 1928 to explain nuclear alpha decay. In their joint paper, they showed that when alpha particles are spontaneously emitted from radioactive isotopes, they escape from the nucleus through quantum tunnelling. How does this happen? Let us understand it with an example.

We know that Marie and Pierre Curie discovered radium. From the isotope radium-226, alpha particles are emitted spontaneously. The half-life of radium-226 is about 1,600 years. That is, if someone possesses two grams of radium-226, no matter where or how it is kept, it will become one gram after 1,600 years. The emission of alpha particles from the radium nucleus occurs through quantum tunnelling; otherwise, the alpha particle would not be able to overcome the intense nuclear force and binding energy of the radium nucleus. As with all quantum-mechanical phenomena, tunnelling occurs based on probability. We know that alpha particles will be emitted from radium atoms, but it is not possible to say exactly which atom will emit an alpha particle at what precise moment. However, when many such events are considered together, the exponential decay curve obtained from the pattern of alpha emission shows that the probability of alpha emission never becomes zero. This means that quantum tunnelling continues to occur.

The nuclear fusion taking place at the centre of the Sun—where two hydrogen nuclei fuse together to form a helium nucleus—also happens through quantum tunnelling. Otherwise, it would not be possible for the nuclei to overcome the repulsive Coulomb force between two protons. Biologists are now also offering new explanations, suggesting that quantum tunnelling underlies most biochemical interactions inside our bodies.

Although Hund, Gamow, Condon, and Gurney discovered the theory of quantum tunnelling, none of them received a Nobel Prize for this discovery. However, many scientists later received Nobel Prizes for the practical applications of quantum tunnelling. The 2025 Nobel Prize, too, has quantum tunnelling at its core.

Almost immediately after the Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) theory of superconductivity was established in 1957; the practical potential of quantum theory began to expand rapidly. The BCS theory provides a microscopic explanation of superconductivity.

From the basic properties of electrical conduction, we know that the rate of flow of electrons through a conductor is called electric current. Accordingly, a current of one ampere means that one coulomb of charge flows in one second. The charge of a single electron is 1.9 × 10¹ coulombs. To have one coulomb of charge flow, 6.25 × 10¹ electrons must pass through in one second—six billion billion electrons per second. By their very nature, electrons prefer to stay apart from one another. Yet, due to the electric potential, they all move in an orderly manner from one terminal to another. However, as the temperature of the conductor increases, the electrons gain additional energy, become agitated, and disorder sets in. Because they experience mutual repulsion, this disorder obstructs the flow of electrons. This obstruction is called resistance. Hence, at ordinary temperatures, electrical current through a conductor encounters resistance. If the resistance becomes infinite, the flow of electricity stops completely, and the conductor turns into an insulator.

What happens in the opposite case? If resistance increases with rising temperature, how do electrons behave when the temperature is reduced to extremely low values? It was observed that at very low temperatures (close to absolute zero), the behaviour of electrons changes. In certain materials, electrons can move without any obstruction at all. Such materials become superconductors, exhibiting zero resistance. In this state, electrons no longer experience mutual repulsion. How is this possible?

In 1956, the scientist Leon Cooper discovered the existence of “Cooper pairs” of electrons in superconductors. Named after him, a Cooper pair is a bound pair of electrons. In a superconductor, electron flow occurs through the crystal lattice. In the presence of even a slight positive ionic charge, electrons are attracted toward the positive ions, causing a mild distortion of the crystal lattice. As a result, a region of positive charge is created, to which another electron becomes attached. This produces an indirect attractive force between two electrons, forming a paired state known as a Cooper pair. The spins of the electrons in a Cooper pair are opposite, so their total spin becomes zero. Their momenta are also opposite, giving a total momentum of zero. While individual electrons have spin 1/2 and are fermions, in a Cooper pair the two electrons combine to give zero spin and behave like bosons. Bosons obey Bose–Einstein statistics, and any number of bosons can occupy the same state without interacting with one another. As a result, millions of Cooper pairs can move in the same quantum state without collisions, giving rise to superconductivity.

According to the BCS theory, when a large number of Cooper pairs come together, they form a macroscopic quantum state. Although composed of fermions, because they behave like bosons they cannot be distinguished from one another. Therefore, all of them can be described collectively by a single large wave function. In this way, the theory of a macroscopic—or visible—quantum state emerging from microscopic states was established. For this work, John Bardeen, Leon Cooper, and Robert Schrieffer received the Nobel Prize in Physics in 1972. This was John Bardeen’s second Nobel Prize; earlier, in 1956, he had received the Nobel Prize in Physics for the invention of the transistor. To this day, John Bardeen remains the only scientist to have received the Nobel Prize in Physics twice.

As soon as the BCS theory was published, laboratory research into the creation of superconductors began. In 1962, British theoretical physicist Brian Josephson had just begun his PhD research at the University of Cambridge. At the age of only 22, he discovered a new possibility of quantum tunnelling by electrons. He showed that if an insulating layer is placed between two superconductors, electrons can flow from one superconductor to the other through the insulating material by quantum tunnelling. This process was named the Josephson effect in his honour, and the device itself came to be known as a Josephson junction. Experimental confirmation of this effect was obtained in 1963 at Bell Laboratories in the United States.

Earlier, in 1957, the Japanese scientist Leo Esaki invented the Esaki diode, or tunnel diode, by exploiting the quantum tunnelling effect in semiconductors. The Norwegian scientist Ivar Giaever demonstrated the tunnelling effect in superconductors. In 1973, Josephson, Esaki, and Giaever were awarded the Nobel Prize in Physics for the tunnelling effect.

The scanning tunnelling microscope was invented by making use of quantum tunnelling. For this achievement, Gerd Binnig and Heinrich Rohrer received the Nobel Prize in Physics in 1986.

This year’s Nobel Prize in Physics has also been awarded for research related to the quantum tunnelling effect. Between 1982 and 1984, under the supervision of John Clarke at the University of California, Berkeley, his student John Martinis and postdoctoral fellow Michel Devoret discovered macroscopic quantum mechanical tunnelling. This phenomenon has become a central foundation of the electrical circuits of quantum computers—quantum electronics, or quantronics. This year’s Nobel Prize recognises the far-reaching impact of that discovery made forty years ago.

John Clarke and his research group have made major contributions to the development of macroscopic quantum phenomena—that is, ways of displaying quantum properties at a visible, macroscopic scale. They demonstrated that the ghostly events of quantum mechanics, which usually occur beyond our direct perception, can in fact be made observable before our eyes. In the laboratory, they created superconducting quantum circuits that not only display the strange properties of quantum mechanics but also lay much of the practical groundwork for quantum computing in the near future.

The leader of this year’s Nobel trio, John Clarke, was born on 10 February 1942 in Cambridge. After completing his schooling at the renowned Perse School in Cambridge, he earned his bachelor’s degree in physics from Christ’s College, University of Cambridge, in 1964. In 1965, he began his PhD research at Cambridge under the supervision of Sir Alfred Brian Pippard, a pioneer of condensed matter physics.

During his PhD research, John Clarke invented an extremely sensitive voltmeter capable of measuring exceedingly small voltages. He later named it the SLUG (Superconducting Low-inductance Undulatory Galvanometer). After completing his PhD in 1968, he joined the University of California, Berkeley, as a postdoctoral fellow and has not changed institutions since. There, he was promoted to assistant professor in 1969, associate professor in 1971, and full professor in 1973. For the past sixty years, he has been conducting research on superconducting quantum interference devices, or SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices).

He has received extensive recognition for his research. Early in his career, he was awarded the Alfred Sloan Fellowship, followed by the Guggenheim Fellowship. He became a Fellow of the Royal Society in 1986. In 1987, he was named Scientist of the Year in California. In 1998, he received the Joseph Keithley Award from the American Physical Society. In 1999, he was awarded the Comstock Prize of the National Academy of Sciences. In 2004, he received the Hughes Medal of the Royal Society. This year, he was awarded the Nobel Prize in Physics.

The second member of this year’s Nobel trio is Michel Devoret, who was born in Paris, France, in 1953. After earning his undergraduate degree in 1975 from the prestigious French engineering and research institution Télécom Paris, he completed his PhD in condensed matter physics in 1982 at the University of Orsay (now Paris-Sud). His PhD supervisor was Anatole Abragam, one of the pioneers of nuclear magnetic resonance research. In 1982, he joined the University of California, Berkeley, as a postdoctoral fellow in Professor John Clarke’s group. It was there that macroscopic quantum tunnelling was discovered for the first time.

From 1982 to 1984, he worked in Professor John Clarke’s group, after which he returned to France. From 1984 to 1995, he led research as head of the Quantronics Group at the French Atomic Energy Commission. From 1995 to 2002, he served there as head of the Quantronics Group and director of research. Since 2002, he has been affiliated with Yale University in the United States as a research professor. At the same time, he has also been working as a research professor at the University of California, Santa Barbara, on superconducting circuits. For the past 43 years, he has been conducting research in experimental solid-state physics, and has pioneered developments in circuit quantum electrodynamics, quantum amplification, and the single-electron transistor.

Michel Devoret has received worldwide recognition for his research. He is a Fellow of both the American Academy of Arts and Sciences and the French Academy of Sciences. For his work on the entanglement of superconducting qubits and microwave photons, he received the John Bell Prize in 2013; the Fritz London Memorial Prize for low-temperature physics in 2014; the Comstock Prize in 2024; and this year, the Nobel Prize.

The third hero of this year’s Nobel Prize in Physics is John Martinis. The discovery for which he received the Nobel Prize was made when he was only twenty-five years old. John Martinis was born in California in 1958. After earning his bachelor’s degree in physics from the University of California, Berkeley, in 1980, he began his PhD research under the supervision of Professor John Clarke. He received his PhD in 1987. The title of his doctoral thesis was “Macroscopic quantum tunnelling and energy-level quantization in the zero-voltage state of the current-biased Josephson junction.” There is a striking resemblance between this title and the wording used by the Nobel Committee in this year’s Nobel Prize announcement. Essentially, what John Martinis discovered during his PhD research, in collaboration with John Clarke and Michel Devoret, is what has earned them the Nobel Prize.

After completing his PhD, at Michel Devoret’s invitation, he worked as a postdoctoral fellow at the French Atomic Energy Commission, then returned to the United States to join the National Institute of Standards and Technology. In 2004, he joined the University of California, Santa Barbara, where his research on quantum computing and superconducting qubits continued. From 2014 to 2020, John Martinis led quantum computer research at Google’s Quantum AI Lab. In 2020, Martinis joined an Australian silicon quantum computing company founded in 2017 by Professor Michelle Simmons of the University of New South Wales. After working at the company for two years, John Martinis founded his own company, Qolab, in 2022. Established to provide engineering support for quantum computers, the company has John Martinis serving as its Chief Technology Officer.

John Martinis carried out the core research that underlies the 2025 Nobel Prize nearly forty years ago, between 1982 and 1984. After the Josephson effect was experimentally verified at Bell Laboratories in the United States in 1963, a wide range of applications of Josephson junctions rapidly emerged, particularly in the precise measurement of magnetic fields.

At that time, John Clarke had just completed his undergraduate studies and had begun his PhD in Cambridge. Scientists James Zimmerman and John Mercereau at Ford Scientific Laboratory in the United States built the first practical SQUID (Superconducting Quantum Interface Device) using a pair of Josephson junctions. A SQUID can measure extremely small magnetic fields. From the very beginning of his PhD research, John Clarke not only developed expertise in the use of SQUIDs but also introduced many technological improvements. Today, SQUIDs are used in a wide range of applications, from studying neural activity in the brain to any field that requires the measurement of extremely subtle magnetic fields.

For many years, efforts had been underway to elevate quantum tunnelling from the microscopic to the macroscopic scale. In 1978, British physicist Anthony Leggett proposed that it might be possible to realise a physical version of Schrödinger’s cat experiment. In superconductors or superfluids, quantum tunnelling between two macroscopic objects should be possible—especially at temperatures close to absolute zero. Quantum properties at the macroscopic scale have indeed been demonstrated in superfluid helium-3. For his theory of superfluids, he received the Nobel Prize in 2003. He had proposed that quantum tunnelling could be demonstrated on a macroscopic scale.

In 1982, Professor John Clarke took up a project to prove this idea experimentally. In his group were the young postdoctoral fellow Michel Devoret and the PhD student John Martinis. They began the work as John Martinis’s PhD project.

Using superconducting electrical circuits, the experiment was designed with extreme precision so that no external disturbance could influence the results. To observe quantum behaviour, they passed very small electrical currents through a Josephson junction and measured the resulting voltage, from which the resistance could be easily calculated. As expected, the initial voltage across the Josephson junction was zero. They then measured how long it took for the system to escape from the zero-voltage state with the help of quantum tunnelling. When quantum tunnelling occurs, the voltage changes from zero. Since quantum states depend on probability, data from many measurements were collected. During the experiment, microwaves of different wavelengths were applied to the system in the zero-voltage state. When the system absorbed some of the microwave energy, it transitioned to a higher energy level. As the energy of the system increased, the lifetime of the zero-voltage state decreased—that is, quantum tunnelling occurred. The experiments demonstrated that quantum tunnelling does indeed occur on a macroscopic scale in superconductors. Their results, published in Physical Review Letters in 1984–85 [3–5], are what have earned them this year’s Nobel Prize.

Although the experiments recognised by this year’s Nobel Prize were carried out nearly forty years ago, over these four decades the macroscopic applicability of quantum tunnelling has increased enormously. Quantum electronics is now a reality. In the near future, qubit-based quantum computers are expected to come within our reach. When that happens, perhaps the charge that quantum mechanics is incomprehensible will diminish at least to some extent.

References

[1] Biggan Chinta, October 2022; September 2025.
[2] Pradip Deb, Quantum Bhalobasa, Meera Prokashani, Dhaka, 2014.
[3] M. H. Devoret, J. M. Martinis, D. Esteve, J. M. Clarke, Physical Review Letters, Vol. 53, p. 1260 (1984).
[4] J. M. Martinis, M. H. Devoret, J. Clarke, Physical Review Letters, Vol. 55, p. 1543 (1985).
[5] M. H. Devoret, J. M. Martinis, J. Clarke, Physical Review Letters, Vol. 55, p. 1908 (1985).
[6] www.nobelprize.org.


Saturday, 6 December 2025

কোয়ান্টাম-সুড়ঙ্গে অতিপরিবাহিতা

 


পদার্থবিজ্ঞানীরা ভূতে বিশ্বাস না করলেও কোয়ান্টাম মেকানিক্সের অদ্ভুত ভূতুড়ে কাজকর্মকে অস্বীকার করার কোনো উপায় তাঁদের নেই। কোয়ান্টাম মেকানিক্সের, বিশেষ করে তার কার্যকরী সমীকরণের একশ বছর পূর্তি উপলক্ষে এবছর (২০২৫) বিশ্বব্যাপী পালিত হচ্ছে কোয়ান্টাম বর্ষ – ইয়ার অব কোয়ান্টাম সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজি। আধুনিক জগতের সমস্ত বিজ্ঞান ও প্রযুক্তির তত্ত্বগুলির গভীরতর স্তর দখল করে আছে কোয়ান্টাম বিজ্ঞান। মৌলিকতম কণা কোয়ার্ক থেকে শুরু করে বিশাল মহাবিশ্ব পর্যন্ত বিস্তৃত কোয়ান্টাম বিজ্ঞা্ন। কিন্তু কোয়ান্টাম বিজ্ঞানের তত্ত্বগুলি মাঝে মাঝে এতটাই অবিশ্বাস্য যে কোয়ান্টাম মেকানিক্সে গবেষণার জন্য নোবেল পুরষ্কার পাওয়া বিজ্ঞানীও বিরক্ত হয়ে বলে ফেলেন, “কোয়ান্টাম জগত বলে আসলে কিছুই নেই। কোয়ান্টাম দশার অস্তিত্ব আছে শুধু আমার মাথার ভেতর যা দিয়ে আমি অঙ্ক করি। কোয়ান্টাম অবস্থা বড়জোর কিছু তথ্যের বর্ণনা দেয় – বাস্তব জগতের সাথে তাদের খুব একটা মিল নেই।“ অতি সম্প্রতি কোয়ান্টাম মেকানিক্স সম্পর্কে এই কথাগুলি বলেছেন ভিয়েনা বিশ্ববিদ্যালয়ের কোয়ান্টাম পদার্থবিজ্ঞানী আন্তন জেলিঙ্গার, যিনি ২০২২ সালে পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরষ্কার পেয়েছেন কোয়ান্টাম মেকানিকসের নীতির পরীক্ষণ-প্রমাণের জন্য [১]।

বর্তমানের আধুনিক মোবাইল ফোন থেকে শুরু করে মহাকাশচারী স্যাটেলাইট পর্যন্ত সবখানেই ব্যবহৃত হচ্ছে কোয়ান্টাম মেকানিক্স। অথচ এমন একটা সময় ছিল যখন কোয়ান্টাম বিজ্ঞানীরাও বিশ্বাস করতেন না যে কোয়ান্টাম বিজ্ঞানের ব্যবহারিক কোন প্রয়োগ হতে পারে। কোয়ান্টাম মেকানিক্সের অন্যতম দুই স্থপতি আরভিন শ্রোডিঙ্গার এবং পল ডিরাক নোবেল পুরষ্কার পেয়েছেন ১৯৩৩ সালে। পল ডিরাকের বয়স তখন মাত্র ৩১ বছর, আর শ্রোডিঙ্গারের ৪৬। সাংবাদিকরা যখন জিজ্ঞেস করলেন কোয়ান্টাম মেকানিক্স মানুষের কী কাজে লাগবে, পল ডিরাক বিরসমুখে জবাব দিয়েছিলেন, “কোন কাজে লাগবে না।“ ভবিষ্যতে কি কোনো কাজে লাগতে পারে? – এ প্রশ্নের উত্তরেও তিনি বলেছিলেন, “ভবিষ্যতেও কোনো কাজে লাগবে না।“[২]। অথচ আমরা এখন এমন এক পর্যায়ে পৌঁছেছি যেখানে প্রশ্ন করতে হবে, “এমন কোন ক্ষেত্র কি আছে যেখানে কোয়ান্টাম মেকানিক্স কাজে লাগে না?”

কোয়ান্টাম মেকানিক্সকে কাজের কাজে লাগানোর কাজ করে যাচ্ছেন বিজ্ঞানীরা গত শত বছর ধরে। ১৯০০ সালে ম্যাক্স প্ল্যাংকের হাত ধরে যে কোয়ান্টাম মেকানিক্সের যাত্রা শুরু হয়েছিল শুধুমাত্র কিছু অদ্ভূত ভূতুড়ে তত্ত্ব হিসেবে, এক শতাব্দী পরেই তা রূপ নিয়েছে অত্যন্ত শক্তিশালী প্রযুক্তির বাহন হিসেবে। একুশ শতকে আমরা কোয়ান্টাম কম্পিউটারের স্বপ্নকে বাস্তবে দেখতে চলেছি। আর এই বাস্তবতার মূল কাঠামো কোয়ান্টাম ইলেকট্রনিক্স বা কোয়ান্ট্রনিক্স-এর অন্যতম তিনজন কারিগর  - জন ক্লার্ক, মিকেল ডেভোরে এবং জন মারটিনিস - পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরষ্কার পেয়েছেন এবছর।



কোয়ান্টাম বিজ্ঞানের জন্য নোবেল পুরষ্কার তেমন বিস্ময়কর কোন নতুন ঘটনা নয়। গত একশ বছরে কোয়ান্টাম মেকানিক্সের সাথে সরাসরি সম্পৃক্ত গবেষণার জন্য পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরষ্কার পেয়েছেন চল্লিশ জনেরও বেশি বিজ্ঞানী। ১৯১৮ সালে ম্যাক্স প্ল্যাংককে দিয়ে শুরু, শক্তির কোয়ান্টাম স্তরের জন্য প্রথম নোবেল পুরষ্কার। তারপর আলবার্ট আইনস্টাইন (১৯২১ - ফটোইলেকট্রিক ইফেক্ট), নীলস বোর (১৯২২ – পারমাণবিক মডেল), আর্থার কম্পটন (১৯২৭ – কম্পটন ইফেক্ট), লুই দ্য ব্রগলি (১৯২৯ – বস্তু তরঙ্গ), ওয়ার্নার হাইজেনবার্গ (১৯৩২ – অনিশ্চয়তার তত্ত্ব), পল ডিরাক ও আরভিন শ্রোডিঙ্গার (১৯৩৩ – কোয়ান্টাম পারমাণবিক তত্ত্ব), উলফগং পাউলি (১৯৪৫ – বর্জন নীতি), ম্যাক্স বর্ন (১৯৫৪ – কোয়ান্টাম ওয়েভ ফাংশান), সিন-ইতিরো টমোনাগা, জুলিয়ান সুইঙ্গার ও রিচার্ড ফাইনম্যান (১৯৬৫ – কোয়ান্টাম ইলেকট্রোডায়নামিক্স), জন বারডিন, লিওন কুপার ও রবার্ট শ্রিফার (১৯৭২ – সুপারকন্ডাকটিভিটি তত্ত্ব – বিসিএস থিওরি), ক্লাউস ফন ক্লিৎঝিং (১৯৮৫ –– কোয়ান্টাইজড হল ইফেক্ট), গার্ড বিনিং ও হেনরিখ রোরার (১৯৮৬ – স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ), রবার্ট লাউলিন, হর্স্ট স্ট্রমার ও ড্যানিয়েল সুই (১৯৯৮ – কোয়ান্টাম ফ্লুইড),  জেরারডুস টি হুফ্‌ট ও মারটিনাস ভেলটম্যান (১৯৯৯ – কোয়ান্টাম স্ট্রাকচার অব ইলেকট্রো-উইক ইন্টার-আকশান।), আলেক্সেই আব্রিকসভ, ভিটালি গিনজবার্গ ও অ্যান্থনি লেগেট (২০০৩ – সুপারকন্ডাক্টর ও সুপারফ্লুইড তত্ত্ব),  রয় গ্লাউবার (২০০৫ –– কোয়ান্টাম থিওরি অব অপটিক্যাল কোহেরেন্স), সার্জ হারোকি ও ডেভিড ওয়াইনল্যান্ড (২০১২ –– স্বতন্ত্র কোয়ান্টাম সিস্টেমের পরীক্ষামূলক পদ্ধতি), এলেইন আসপেক্ট, জন ক্লাউজার, আন্টন জেলিঙ্গার (২০২২ – কোয়ান্টাম মেকানিক্সের পরীক্ষণ প্রমাণ), এবং জন ক্লার্ক, মিকেল দেভোরে, ও জন মারটিনিস (২০২৫ – ম্যাক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম টানেলিং)।

দেখতেই পাচ্ছেন ১৯৭২ সাল পর্যন্ত কোয়ান্টাম মেকানিক্সের জন্য পাওয়া সব নোবেল পুরষ্কারই দেয়া হয়েছে তত্ত্বীয় কাজের ভিত্তিতে। তার কারণও আছে। বিংশ শতাব্দীর প্রথম পঞ্চাশ বছরে কোয়ান্টাম তত্ত্ব সমৃদ্ধ হয়েছে অনেক বিজ্ঞানীর ব্যাখ্যায় এবং বিশ্লেষণে। শ্রোডিঙ্গারের সমীকরণের ওয়েভ ফাংশান বিশ্লেষণ করে পদার্থবিজ্ঞানের অনেক ঘটনা ব্যাখ্যা করা সম্ভব হয়েছে যা এতদিন ক্লাসিক্যাল ফিজিক্স দিয়ে ব্যাখ্যা করা সম্ভব হয়নি। যেমন নিউক্লিয়ার বিক্রিয়ায় আলফা কণা বিকিরণের ঘটনা।

১৯২৬ সালে শ্রোডিঙ্গারের সমীকরণ প্রকাশিত হবার পরপরই ১৯২৭ সালে জার্মান পদার্থবিজ্ঞানী ফ্রেডরিখ হুন্ড আণবিক শক্তিস্তরের ভেতর কোয়ান্টাম টানেলিং-এর সম্ভাবনা আবিষ্কার করেন। ওয়েভ ফাংশান বিশ্লেষণ করলে কিছু আপাত অসম্ভব কাজও তত্ত্বীয়ভাবে সম্ভবপর হয়ে ওঠে। কোয়ান্টাম টানেলিং তাদের মধ্যে একটি। ধরা যাক, কোন কোয়ান্টাম কণার সামনে এমন একটি উঁচু দেয়াল আছে যা পার হয়ে অন্য দিকে যাবার জন্য কণাটির যে পরিমাণ শক্তি দরকার, সে পরিমাণ শক্তি তার নেই। এ অবস্থায় ক্লাসিক্যাল ফিজিক্স নিশ্চিতভাবে বলে দেবে যে কণাটির দেয়াল পার হবার সম্ভাবনা শূন্য। অর্থাৎ কণাটি দেয়ালের এপাশেই রয়ে যাবে। কিন্তু কোয়ান্টাম ওয়েভ ফাংশান অনুযায়ী কণা তরঙ্গের আকারেও থাকতে পারে। সেক্ষেত্রে কণাটি তরঙ্গের আকারে দেয়ালের অন্যপাশে পৌঁছানোর সম্ভাবনা শূন্য নয়। সম্ভাবনা শূন্য না হবার অর্থ হলো – কণাটি দেয়ালভেদ করে অন্যপাশে চলে যেতে পারে – প্রয়োজনীয় শক্তি না থাকা সত্ত্বেও! নিসন্দেহে অবিশ্বাস্য সম্ভাবনা।

কিন্তু কোয়ান্টাম টানেলিং-এর এই অবিশ্বাস্য ঘটনা দিয়েই পদার্থবিজ্ঞানী জর্জ গ্যামো, এডওয়ার্ড কনডন, এবং রোনাল্ড গারনি আলফা কণার নিউক্লিয়ার ক্ষয়ের ঘটনা ব্যাখ্যা করলেন ১৯২৮ সালে। তাঁদের যৌথ গবেষণাপত্রে তাঁরা দেখালেন যে তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ থেকে যখন আলফা-কণা স্বতস্ফূর্তভাবে নির্গত হতে থাকে, তখন কোয়ান্টাম টানেলিং-এর মাধ্যমেই তারা বের হয়ে আসে নিউক্লিয়াস থেকে। কীভাবে?একটি  উদাহরণ দিয়ে বোঝা যাক।

আমরা জানি মেরি ও পিয়ের কুরি রেডিয়াম আবিষ্কার করেছিলেন। রেডিয়াম-২২৬ আইসোটোপ থেকে স্বতস্ফূর্তভাবে আলফা-কণা নির্গত হয়। রেডিয়াম-২২৬ এর হাফ-লাইফ বা অর্ধায়ু প্রায় ১৬০০ বছর। অর্থাৎ কারো কাছে দুই গ্রাম রেডিয়াম-২২৬ থাকলে ওটা যেখানে যেভাবেই থাকুক না কেন, ১৬০০ বছর পরে এক গ্রাম হয়ে যাবে। রেডিয়াম নিউক্লিয়াস থেকে আলফা-কণার নির্মগন ঘটে কোয়ান্টাম টানেলিং-এর মাধ্যমে। নইলে আলফা-কণার সাধ্য ছিল না রেডিয়াম নিউক্লিয়াসের প্রচন্ড নিউক্লিয়ার ফোর্স এবং বাইন্ডিং এনার্জি অতিক্রম করে বের হয়ে আসার। কোয়ান্টাম মেকানিক্সের সব ঘটনার মতোই টানেলিং-এর ঘটনাও ঘটে সম্ভাবনার ভিত্তিতে। অর্থাৎ রেডিয়ামের পরমাণু থেকে আলফা-কণা নির্গত হবে আমরা জানি, কিন্তু একদম সঠিকভাবে বলা সম্ভব নয়, ঠিক কোন্‌ সময় কোন্‌ পরমাণু থেকে আলফা কণা নির্গত হবে। কিন্তু অনেকগুলি ঘটনা একসাথে করে আমরা ঘটনাবিন্যাস থেকে আলফা-কণা নির্গমনের যে এক্সপোনেনশিয়েল গ্রাফ পাই – তা থেকে বোঝা যায় আলফা-কণা নির্গমনের সম্ভাবনা কখনোই শূন্য হয়ে যায় না। তার মানে কোয়ান্টাম টানেলিং ঘটতেই থাকে।

সূর্যের কেন্দ্রে যে নিউক্লিয়ার ফিউশান ঘটছে, যেখানে  দুটো হাইড্রোজেন নিউক্লিয়াস একসাথে মিশে গিয়ে হিলিয়াম নিউক্লিয়াসে পরিণত হচ্ছে – সেটাও ঘটছে কোয়ান্টাম টানেলিং-এর মাধ্যমে। নইলে দুটো প্রোটনের মধ্যে কুলম্ব বলের প্রভাবে যে বিকর্ষণ বল বিদ্যমান – তা অতিক্রম করা তাদের পক্ষে সম্ভব হতো না। জীববিজ্ঞানীরাও এখন নতুন করে ব্যাখ্যা করছেন - আমাদের শরীরের ভেতর বেশিরভাগ জৈব-রাসায়নিক মিথষ্ক্রিয়ার মূলে আছে কোয়ান্টাম টানেলিং।

বিজ্ঞানী হুন্ড, গ্যামো, কনডন, গারনি কোয়ান্টাম টানেলিং তত্ত্ব আবিষ্কার করলেও তাঁদের কেউই এই আবিষ্কারের জন্য নোবেল পুরষ্কার পাননি। তবে কোয়ান্টাম টানেলের ব্যবহারিক প্রয়োগের জন্য পরবর্তীতে অনেকেই নোবেল পুরষ্কার পেয়েছেন। ২০২৫ সালের নোবেল পুরষ্কারেরও মূলেও আছে কোয়ান্টাম টানেলিং।

১৯৫৭ সালে বারডিন, কুপার আর শ্রিফারের সুপারকন্ডাক্টিভিটি থিওরি বা অতিপরিবাহিতার তত্ত্ব প্রতিষ্ঠিত হবার প্রায় সাথে সাথেই কোয়ান্টাম তত্ত্বের ব্যবহারিক সম্ভাবনা দ্রুত বাড়তে শুরু করলো। বারডিন-কুপার-শ্রিফার (বিসিএস) তত্ত্ব মূলত অতিপরিবাহিতার মাইক্রোস্কোপিক ব্যাখ্যা দেয়।

বিদ্যুৎ পরিবাহীতার স্বাভাবিক ধর্ম থেকে আমরা জানি বিদ্যুৎ পরিবাহীর ভেতর দিয়ে ইলেকট্রন প্রবাহের হারকে আমরা কারেন্ট বলি। সে হিসেবে এক অ্যাম্পিয়ার কারেন্ট হলো এক সেকেন্ডে যদি এক কুলম্ব চার্জ প্রবাহিত হয়। একটি ইলেকট্রনের চার্জ হলো ১.৯ x ১০-১৯ কুলম্ব। এক কুলম্ব চার্জ প্রবাহিত হতে হলে ৬.২৫ x ১০১৮ টি ইলেকট্রন প্রবাহিত হতে হবে এক সেকেন্ডে। ছয় বিলিয়ন বিলিয়ন ইলেকট্রন প্রবাহ প্রতি সেকেন্ডে। ইলেকট্রনের ধর্ম অনুসারে এই ইলেকট্রনগুলি প্রত্যেকে প্রত্যকের কাছ থেকে দূরে থাকতে চায়। তারপরও বিদ্যুৎ বিভবের কারণে তারা সবাই সুশৃঙ্খলভাবে একদিক থেকে অন্যদিকে (টার্মিনাল টু টার্মিনাল) চলাচল করে। কিন্তু যখনই পরিবাহীর তাপমাত্রা বাড়তে থাকে, ইলেকট্রনগুলির নিজস্ব শক্তি বেড়ে যাবার কারণে তারা অস্থির হয়ে পড়ে এবং বিশৃঙ্খলা দেখা দেয়। একে অপরের প্রতি বিকর্ষণ বোধ করার কারণে এই বিশৃঙ্খলার ভেতর দিয়ে ইলেকট্রন প্রবাহ বাধাপ্রাপ্ত হয়। এই বাধার নাম রেজিস্ট্যান্স। তাই স্বাভাবিক তাপমাত্রায় পরিবাহীর ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহের সময় রেজিস্ট্যান্স থাকে। এই রেজিস্ট্যান্সের পরিমাণ অসীম হলে – কোন বিদ্যুৎ-প্রবাহ সম্পূর্ণ বন্ধ হয়ে যায়। তখন পরিবাহী হয়ে পড়ে অপরিবাহী বা ইনসুলেটর।

এর উলটো ঘটনা ঘটলে কী হবে? তাপমাত্রা বাড়লে যদি রেজিস্ট্যান্স বেড়ে যায়, তাপমাত্রা অত্যন্ত কমিয়ে দিলে ইলেকট্রনগুলির ব্যবহার কেমন হবে? দেখা গেলো অত্যন্ত কম তাপমাত্রায় (পরম শূন্য তাপমাত্রার কাছাকাছি) ইলেকট্রনগুলির ধর্মে কিছুটা পরিবর্তন লক্ষ্য করা যায়। দেখা যায় অত্যন্ত কম তাপমাত্রায় কিছু কিছু পদার্থের ভেতর ইলেকট্রনগুলি কোন ধরনের বাধা ছাড়াই চলাচল করতে পারে। শূন্য রেজিস্ট্যান্সে পরিবাহী হয়ে ওঠে অতিপরিবাহী। তখন ইলেকট্রনগুলি একে অপরের প্রতি আর বিকর্ষণ অনুভব করে না। কীভাবে এটা সম্ভব?

১৯৫৬ সালে বিজ্ঞানী লিওন কুপার আবিষ্কার করলেন অতিপরিবাহীর ক্ষেত্রে ইলেকট্রনের ‘কুপার পেয়ার’। কুপারের নামানুসারে এই পেয়ার হলো – ইলেকট্রনের যুগলবন্দি অবস্থা। অতিপরিবাহীর ভেতর  ইলেকট্রন প্রবাহ ঘটে ক্রিস্টাল ল্যাটিসের মধ্য দিয়ে। সামান্য একটু পজিটিভ আয়নের উপস্থিতিতে ইলেকট্রন পজিটিভ আয়নের প্রতি আকৃষ্ট হয়। এই আকর্ষণের ফলে ক্রিস্টাল ল্যাটিসের মৃদু বিকৃতি ঘটে। ফলে কিছু ধনাত্মক চার্জের একটি অঞ্চল তৈরি হয় যেখানে অন্য একটি ইলেকট্রন লেগে যায়। ফলে একটি ইলেকট্রনের সাথে অন্য একটি ইলেকট্রনের পরোক্ষ একটি আকর্ষণ বল তৈরি হয়ে দুটো ইলেকট্রনের জোড়া তৈরি হয় – যার নাম ‘কুপার পেয়ার’। কুপার পেয়ারের ইলেকট্রনগুলির স্পিন – একে অপরের বিপরীত, ফলে তাদের মোট স্পিন হয়ে পড়ে শূন্য। তাদের ভরবেগও একে অপরের বিপরীত, ফলে মোট ভরবেগও শূন্য। স্বতন্ত্র ইলেকট্রনের স্পিন ১/২,এবং তারা ফার্মিয়ন হলেও,  কুপার পেয়ারের ক্ষেত্রে দুটো ইলেকট্রন মিশে গিয়ে স্পিন শূন্য হয়ে – তাদের আচরণ হয়ে পড়ে বোসনের মতো। বোসন বোস-আইনস্টাইন পরিসংখ্যান মেনে চলে এবং যে কোন জায়গায় অসংখ্য বোসন থাকতে পারে কোন ধরনের মিথষ্ক্রিয়া ছাড়াই। ফলে একই কোয়ান্টাম দশায় লক্ষ লক্ষ কুপার-পেয়ার কোন ধরনের সংঘর্ষ ছাড়াই চলতে পারে। তৈরি হয় সুপারকন্ডাক্টিভিটি।

বারডিন-কুপার-শিপার (বিসিএস) তত্ত্ব অনুসারে যখন বিশাল সংখ্যক কুপার-পেয়ার একসাথে হয়ে ম্যাক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম স্টেট তৈরি করতে পারে। যেহেতু ফার্মিয়ন হয়েও তারা বোসনের মতো আচরণ করে – তখন তাদেরকে একে অপরের কাছ থেকে আলাদা করে চেনা যায় না। তাই একটি বড় আকারের ওয়েভ ফাংশান দিয়ে তাদের সবাইকে একসাথে প্রকাশ করা যায়। মাইক্রোস্কোপিক স্টেট থেকে ম্যাক্রোস্কোপিক বা দৃশ্যমান কোয়ান্টাম দশার তত্ত্ব এভাবে প্রতিষ্ঠিত হলো। এই কাজের জন্য জন বারডিন,লিওন কুপার এবং রবার্ট শিপার পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরষ্কার পেলেন ১৯৭২ সালে। জন বারডিনের ছিল এটি দ্বিতীয় নোবেল পুরষ্কার। এর আগে ১৯৫৬ সালে জন বারডিন পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরষ্কার পেয়েছিলেন ট্রানজিস্টার উদ্ভাবনের জন্য। এখনো পর্যন্ত জন বারডিনই একমাত্র বিজ্ঞানী যিনি পদার্থবিজ্ঞানে দুবার নোবেল পুরষ্কার পেয়েছেন।

বিসিএস তত্ত্ব প্রকাশিত হবার সাথে সাথেই পরীক্ষাগারে সুপারকন্ডাক্টর তৈরির গবেষণা শুরু হয়ে গেল। ব্রিটিশ তত্ত্বীয় পদার্থবিজ্ঞানী ব্রায়ান জোসেফসন ১৯৬২ সালে কেমব্রিজ বিশ্ববিদ্যালয়ে সবেমাত্র পিএইচডি গবেষণা শুরু করেছেন। মাত্র ২২ বছর বয়সেই তিনি আবিষ্কার করে ফেললেন ইলেকট্রনের কোয়ান্টাম টানেলিং-এর নতুন সম্ভাবনা। তিনি দেখালেন দুটো অতিপরিবাহী বা সুপারকন্ডাক্টরের মাঝখানে একটি অপরিবাহী বা ইনসুলেটর রাখলে কোয়ান্টাম টানেলিং-এর মাধ্যমে ইলেকট্রন এক দিকের অতিপরিবাহী থেকে অপরিবাহী পদার্থ ভেদ করে অন্য দিকের অতিপরিবাহীতে প্রবাহিত হতে পারে। তাঁর নামানুসারে এই প্রক্রিয়ার নাম দেয়া হলো জোসেফসন ইফেক্ট, আর এই যান্ত্রিক অংশটার নাম দেয়া হলো জোসেফসন জাংশান। ১৯৬৩ সালে আমেরিকার বেল ল্যাবরেটরিতে এর পরীক্ষণ প্রমাণ পাওয়া গেল।

এর আগে ১৯৫৭ সালে জাপানের বিজ্ঞানী লিও ইসাকি সেমিকন্ডাক্টরের ক্ষেত্রে কোয়ান্টাম টানেলিং ইফেক্ট কাজে লাগিয়ে উদ্ভাবন করেছেন ইসাকি ডায়োড বা টানেল ডায়োড। নরওয়ের বিজ্ঞানী ইভার গিয়েইভার সুপারকন্ডাক্টরের ক্ষেত্রে টানেলিং ইফেক্ট প্রমাণ করেছেন। ১৯৭৩ সালে টানেলিং ইফেক্টের জন্য পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরষ্কার পেলেন জোসেফসন, ইসাকি এবং গিয়েইভার।

কোয়ান্টাম টানেলিং কাজে লাগিয়ে উদ্ভাবিত হয়েছে স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ। সেজন্য গার্ড বিনিং ও হেনরিখ রোরার ১৯৮৬ সালে পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরষ্কার পেয়েছেন।

এবছরের পদার্থবিজ্ঞানের নোবেল পুরষ্কারও দেয়া হয়েছে কোয়ান্টাম টানেলিং ইফেক্ট সংক্রান্ত গবেষণার জন্য। ১৯৮২ থেকে ১৯৮৪ সালের মধ্যে ক্যালিফোর্নিয়া ইউনিভার্সিটি বার্কলের ল্যাবে জন ক্লার্কের তত্ত্বাবধানে তাঁর ছাত্র জন মারটিনিস এবং পোস্টডক্টরেট ফেলো মিকেল দেভোরে আবিষ্কার করেছিলেন ম্যাক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম মেকানিক্যাল টানেলিং – যা কোয়ান্টাম কম্পিউটারের ইলেকট্রিক সার্কিট – কোয়ান্টাম ইলেকট্রনিক্স বা কোয়ান্ট্রনিক্সের  প্রধান অবলম্বন হয়ে উঠছে। চল্লিশ বছর আগের সেই আবিষ্কারের সুদূর প্রসারী প্রভাবের স্বীকৃতি এবারের নোবেল পুরষ্কার।

ম্যাক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম ফেনোমেনা – অর্থাৎ দৃশ্যমান পর্যায়ে কোয়ান্টাম ধর্মাবলি প্রদর্শনের উপায় উদ্ভাবনে জন ক্লার্ক এবং তাঁর গবেষক দলের অবদান অনেক। কোয়ান্টাম মেকানিক্সের যেসব ভূতুড়ে কান্ড চোখের আড়ালে ঘটে যায় – সেগুলি যে চোখের সামনে ঘটতে দেখার ব্যবস্থাও করা যায় – তা তাঁরা প্রমাণ করেছেন। পরীক্ষাগারে তাঁরা তৈরি করেছেন সুপারকন্ডাক্টিং কোয়ান্টাম সার্কিট যা কোয়ান্টাম মেকানিক্সের অদ্ভুত ধর্মগুলি তো প্রদর্শন করেই, তার সাথে অদূর ভবিষ্যতের কোয়ান্টাম কম্পিউটিং-এর বাস্তব পথের অনেকটাই তৈরি করে দেয়।

এবছরের নোবেলত্রয়ীর দলপতি জন ক্লার্কের জন্ম ১৯৪২ সালের ১০ ফেব্রুয়ারি কেমব্রিজে। কেমব্রিজের বিখ্যাত প্রাইভেট স্কুল পার্‌স স্কুলে লেখাপড়া শেষ করে কেমব্রিজ বিশ্ববিদ্যালয়ের ক্রাইস্ট কলেজ থেকে ১৯৬৪ সালে পদার্থবিজ্ঞানে স্নাতক ডিগ্রি লাভ করেন। ১৯৬৫ সালে কেমব্রিজ বিশ্ববিদ্যালয়ে পিএইচডির গবেষণা শুরু করেন স্যার আলফ্রেড ব্রায়ান পিপার্ডের তত্ত্বাবধানে। কন্ডেন্সড ম্যাটার ফিজিক্সের অন্যতম পথিকৃৎ ছিলেন ব্রায়ান পিপার্ড।

পিএইচডি গবেষণার সময়েই জন ক্লার্ক অত্যন্ত সংবেদনশীল ভোল্টমিটার উদ্ভাবন করেন যা দিয়ে ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র পরিমাণের ভোল্টেজও মাপা যায়। পরবর্তীতে তিনি এর নাম দেন স্লাগ (SLUG – Superconducting Low-inductance Undulatory Galvanometer)। ১৯৬৮ সালে পিএইচডি সম্পন্ন করে তিনি পোস্টডক্টরাল ফেলো হিসেবে যোগ দেন ইউনিভার্সিটি অব ক্যালিফোর্নিয়া বার্কলেতে। তারপর আর প্রতিষ্ঠান বদল করেননি তিনি। সেখানেই ১৯৬৯ সালে অ্যাসিস্ট্যান্ট প্রফেসর, ১৯৭১ সালে অ্যাসোসিয়েট প্রফেসর এবং ১৯৭৩ সালে প্রফেসর পদে উন্নীত হন। বিগত ষাট বছর ধরে তিনি গবেষণা করছেন সুপারকন্ডাকটিং কোয়ান্টাম ইন্টারফেস ডিভাইস বা স্কুইড নিয়ে (SQUID – Superconducting Quantum Interface Device)।

গবেষণার স্বীকৃতি তিনি পেয়েছেন অনেক। কর্মজীবনের শুরুতেই পেয়েছেন আলফ্রেড স্লোন ফেলোশিপ, তারপর গুগেনহেইম ফেলোশিপ। রয়েল সোসাইটির ফেলোশিপ পেয়েছেন ১৯৮৬ সালে। ১৯৮৭ সালে তিনি ক্যালিফোর্নিয়ার বর্ষসেরা বিজ্ঞানী মনোনীত হয়েছিলেন। ১৯৯৮ সালে পেয়েছেন আমেরিকান ফিজিক্যাল সোসাইটির জোসেফ কিথলি পুরষ্কার। ১৯৯৯ সালে পেয়েছেন ন্যাশনাল একাডেমি অব সায়েন্সের কমস্টক পুরষ্কার। ২০০৪ সালে পেয়েছেন রয়েল সোসাইটির হিউজেস মেডেল। এবছর পেলেন পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরষ্কার।

এবছরের নোবেলত্রয়ীর দ্বিতীয়জন মিকেল দেভোরের জন্ম ফ্রান্সের প্যারিসে ১৯৫৩ সালে। ১৯৭৫ সালে ফ্রান্সের বিখ্যাত ইঞ্জিনিয়ারিং গবেষণা প্রতিষ্ঠান ‘টেলিকম প্যারিস’ থেকে স্নাতক ডিগ্রি লাভের পর কন্ডেন্সড ম্যাটার ফিজিক্সে পিএইচডি করেন ১৯৮২ সালে ইউনিভার্সিটি অব ওরসে (বর্তমান নাম প্যারিস-সুড) থেকে। তাঁর পিএইচডি তত্ত্বাবধায়ক ছিলেন নিউক্লিয়ার ম্যাগনেটিক রেজোনেন্স গবেষণার অন্যতম পথিকৃৎ আনাতোলে আব্রাগাম। ১৯৮২ সালে তিনি পোস্টডক্টরেট ফেলো হিসেবে যোগ দেন ইউনিভার্সিটি অব ক্যালিফোর্নিয়া বার্কলেতে প্রফেসর জন ক্লার্কের গ্রুপে। সেখানেই প্রথম বারের মতো আবিষ্কৃত হয় ম্যাক্রোস্কোপিক কোয়ান্টাম টানেলিং ইফেক্ট।

১৯৮২ থেকে ১৯৮৪ পর্যন্ত তিনি ছিলেন প্রফেসর জন ক্লার্কের গ্রুপে। এরপর তিনি ফিরে যান ফ্রান্সে। ১৯৮৪ থেকে ১৯৯৫ পর্যন্ত তিনি কোয়ান্ট্রনিক্স গ্রুপের হেড হিসেবে গবেষণার নেতৃত্ব দিয়েছেন ফ্রান্সের এটমিক এনার্জি কমিশনে। ১৯৯৫ থেকে ২০০২ পর্যন্ত  তিনি সেখানকার কোয়ান্ট্রনিক্স গ্রুপের হেড এবং গবেষণা পরিচালকের দায়িত্ব পালন করেন। ২০০২ সাল থেকে তিনি যুক্ত আছেন আমেরিকার ইয়েল ইউনিভার্সিটির গবেষণা প্রফেসর হিসেবে। একই সাথে ইউনিভার্সিটি অব ক্যালিফোর্নিয়া সান্টা বারবারাতেও রিসার্চ প্রফেসর হিসেবে কাজ করছেন সুপারকন্ডাক্টিং সার্কিট নিয়ে।  সেই থেকে গত ৪৩ বছর ধরে তিনি গবেষণা করছেন এক্সপেরিমেন্টাল সলিড স্টেট ফিজিক্স বিষয়ে। উদ্ভাবন করেছেন সার্কিট কোয়ান্টাম ইলেকট্রোডায়নামিক্স, কোয়ান্টাম এমপ্লিফিকেশান, সিংগল ইলেকট্রন ট্রানজিস্টার।

গবেষণার বিশ্বজোড়া স্বীকৃতিও পেয়েছেন মিকেল দেভোরে। ফেলোশিপ পেয়েছেন আমেরিকান একাডেমি অব আর্টস আন্ড সায়েন্স এবং ফ্রেন্স একাডেমি অব সায়েন্সের। সুপারকন্ডাক্টিং কিউবিট এবং মাইক্রোওয়েভ ফোটনের এন্টেলগেলমেন্টের জন্য ২০১৩ সালে পেয়েছেন জন বেল পুরষ্কার, ২০১৪ সালে নিম্ন-তাপমাত্রার পদার্থবিজ্ঞান গবেষণায় ফ্রিজ লন্ডন মেমোরিয়েল প্রাইজ, ২০২৪ সালে পেয়েছেন কমস্টক প্রাইজ এবং এবছর পেলেন নোবেল পুরষ্কার।

এবছরের নোবেলজয়ী পদার্থবিজ্ঞানের তৃতীয় নায়ক জন মারটিনিস। যে আবিষ্কারের জন্য তিনি নোবেল পুরষ্কার পেলেন সেই আবিষ্কার তিনি করেছিলেন মাত্র পঁচিশ বছর বয়সে। জন মারটিনিসের জন্ম ১৯৫৮ সালে ক্যালিফোর্নিয়ায়। ১৯৮০ সালে ইউনিভার্সিটি অব ক্যালিফোর্নিয়া বার্কলে থেকে পদার্থবিজ্ঞানে স্নাতক ডিগ্রির পর পিএইচডি গবেষণা শুরু করেন প্রফেসর জন ক্লার্কের তত্ত্বাবধানে। ১৯৮৭ সালে তিনি পিএইচডি অর্জন করেন। তাঁর পিএইচডি থিসিসের শিরোনাম ছিল “Macroscopic quantum tunnelling and energy-level quantization in the zero-voltage state of the current-biased Josephson junction.” নোবেল কমিটি এবছর নোবেল পুরষ্কারের ঘোষণায় যে বাক্যাংশ ব্যবহার করেছে তার সাথে মারটিনিসের থিসিসের শিরোনামের আশ্চর্য মিল। মূলত জন ক্লার্ক ও মিকেল দেভোরের সহযোগিতায় জন মারটিনিস তাঁর পিএইচডি গবেষণায় যা আবিষ্কার করেছিলেন – তাই-ই এনে দিয়েছে তাঁদের নোবেল পুরষ্কার।

পিএইচডি সম্পন্ন করার পর মিকেল দেভোরের আমন্ত্রণে তিনি ফ্রান্সের এটমিক এনার্জি কমিশনে পোস্টডক্টরেট ফেলো হিসেবে কাজ করার পর আমেরিকায় ফিরে সে যোগ দেন ন্যাশনাল ইন্সটিটিউট অব স্ট্যান্ডার্ডস আন্ড টেকনোলজিতে। ২০০৪ সালে যোগ দেন ইউনিভার্সিটি অব ক্যালিফোর্নিয়া সান্টা বারবারাতে। কোয়ান্টাম কম্পিউটিং এবং সুপারকন্ডাক্টিং কিউবিট সংক্রান্ত গবেষণা চলতে থাকে। ২০১৪ থেকে ২০২০ পর্যন্ত জন মারটিস গুগলের কোয়ান্টাম এ-আই ল্যাবে কোয়ান্টাম কম্পিউটার গবেষণার নেতৃত্ব দেন। ২০২০ সালে মারটিস অস্ট্রেলিয়ার সিলিকন কোয়ান্টাম কম্পিউটিং কোম্পানিতে যোগ দেন। ইউনিভার্সিটি অব নিউ সাউথ ওয়েলস এর কোয়ান্টাম কম্পিউটিং প্রফেসর মিশেল সিমনস ২০১৭ সালে এই কোম্পানি প্রতিষ্ঠা করেন। দুবছর এই কোম্পানিতে কাজ করার পর জন মারটিস নিজের কোম্পানি কিউ-ওল্যাব খোলেন ২০২২ সালে। কোয়ান্টাম কম্পিউটারের ইঞ্জিনিয়ারিং সাপোর্ট দেয়ার লক্ষ্যে প্রতিষ্ঠিত এই কোম্পানির প্রধান প্রযুক্তি কর্মকর্তার দায়িত্ব পালন করছেন জন মারটিনিস।

জন মারটিনিস ২০২৫ সালের নোবেল পুরষ্কারের মূল গবেষণা সম্পন্ন করেছিলেন প্রায় চল্লিশ বছর আগে ১৯৮২ থেকে ১৯৮৪ সালের মধ্যে। ১৯৬৩ সালে আমেরিকার বেল ল্যাবরেটরিতে জোসেফসন ইফেক্ট প্রমাণিত হবার পর খুব দ্রুত জোসেফসন জংশনের নানাবিধ প্রয়োগ শুরু হয় – বিশেষ করে চৌম্বক ক্ষেত্রের নিখুঁত পরিমাপের ক্ষেত্রে।

সেসময় জন ক্লার্ক সবেমাত্র স্নাতক পাস করে কেমব্রিজে পিএইচডি শুরু করেছেন। আমেরিকার ফোর্ড সায়েন্টিফিক ল্যাবের বিজ্ঞানী জেমস জিমারম্যান ও জন মারসেরেউ এক জোড়া জোসেফসন জাংশান ব্যবহার করে তৈরি করেছেন প্রথম ব্যবহারিক স্কুইড (SQUID – Superconducting Quantum Interface Device)। অত্যন্ত ক্ষুদ্র পরিমাণ চৌম্বকক্ষেত্রও পরিমাপ করতে পারে স্কুইড। জন ক্লার্ক তাঁর পিএইচডি গবেষণায় শুরু থেকেই স্কুইডের ব্যবহারে দক্ষতা অর্জনের পাশাপাশি এর নানাবিধ প্রযুক্তিগত উন্নয়ন ঘটান। বর্তমানে মস্তিষ্কের স্নায়ুকোষের কার্যক্রম থেকে শুরু করে বিভিন্ন বিষয়ে যেখানে সূক্ষ্ম চুম্বকক্ষেত্রের পরিমাপ করতে হয় – স্কুইড ব্যবহৃত হচ্ছে।

কোয়ান্টাম টানেলিং-কে মাইক্রোস্কোপিক পর্যায় থেকে ম্যাক্রোস্কোপিক পর্যায়ে উন্নীত করার চেষ্টা চলছিল অনেক বছর থেকে।  ১৯৭৮ সালে ব্রিটিশ পদার্থবিজ্ঞানী অ্যান্থনি লেগেট ধারণা দেন শ্রোডিঙ্গারের বিড়াল পরীক্ষার বাস্তব রূপ দেয়া সম্ভব। সুপারকন্ডাক্টর কিংবা সুপারফ্লুইডের ক্ষেত্রে দুটো দৃশ্যমান বস্তুর মধ্যে কোয়ান্টাম টানেলিং সম্ভব – বিশেষ করে শূন্য ডিগ্রি কেলভিনের কাছাকাছি তাপমাত্রায়। ম্যাক্রোস্কোপিক স্কেলে হিলিয়াম-৩ মৌলের সুপারফ্লুইডের কোয়ান্টাম ধর্মাবলি প্রমাণিত হয়েছে। তাঁর সুপারফ্লুইডের তত্ত্বের জন্য তিনি ২০০৩ সালে নোবেল পুরষ্কার পেয়েছেন। তিনি ধারণা দিয়েছিলেন ম্যাক্রোস্কোপিক স্কেলে কোয়ান্টাম টানেলিং প্রমাণ করা সম্ভব।

১৯৮২ সালে তাঁর ধারণাকে সত্য প্রমাণ করার প্রকল্প গ্রহণ করলেন প্রফেসর জন ক্লার্ক। তাঁর গ্রুপে আছেন তরুণ পোস্টডক্টরেট ফেলো মিকেল দেভোরে এবং পিএইচডি ছাত্র জন মার্টিনিস। জন মার্টিনিসের পিএইচডি প্রকল্প হিসেবেই কাজ শুরু করলেন তাঁরা।

 সুপারকন্ডাক্টিং ইলেকট্রিক্যাল সার্কিট ব্যবহার করে অত্যন্ত নিখুঁতভাবে পরীক্ষণ পরিকল্পনা করা হলো যেন বাইরের কোন প্রতিবন্ধকতা পরীক্ষণের ফলাফলকে প্রভাবিত করতে না পারে। কোয়ান্টাম আচরণ প্রত্যক্ষ করার জন্য তাঁরা জোসেফসন জংশনে খুবই ক্ষুদ্র পরিমাণের বৈদ্যুতিক প্রবাহ প্রেরণ করে ভোল্টেজ পরিমাপ করেন। সেখান থেকে রেজিস্ট্যান্স হিসেব করা সহজ। জোসেফসন জাংশানের প্রাথমিক ভোল্টেজ প্রত্যাশা অনুযায়ী শূন্যই ছিল। এরপর সিস্টেমটি শূন্য ভোল্টেজ থেকে কোয়ান্টাম টানেলিং-এর সাহায্যে বের হয়ে আসতে কত সময় নেয় তার পরিমাপ করলেন। কোয়ান্টাম টানেলিং ঘটলে ভোল্টেজ শূন্য থেকে পরিবর্তিত হয়ে যায়। যেহেতু কোয়ান্টাম দশা সম্ভাবনার উপর নির্ভরশীল, সেহেতু অনেকগুলি পরিমাপের ডাটা নেয়া হলো। পরীক্ষণে বিভিন্ন তরঙ্গদৈর্ঘ্যের মাইক্রোওয়েভ শূন্য-ভোল্টেজ দশায় প্রেরণ করা হয়। সিস্টেম যখন কিছু মাইক্রোওয়েভ শোষণ করে তখন সিস্টেমটি উচ্চতর শক্তিস্তরে চলে যায়। সিস্টেমে শক্তি বাড়লে শূন্য-ভোল্টেজ অবস্থার স্থায়িত্বকাল কমে যায় – অর্থাৎ কোয়ান্টাম টানেলিং ঘটে। পরীক্ষণে প্রমাণিত হলো সুপারকন্ডাক্টরের ক্ষেত্রে ম্যাক্রোস্কোপিক স্কেলের কোয়ান্টাম টানেলিং ঘটে। ১৯৮৪-৮৫ সালে ফিজিক্যাল রিভিউ লেটারে প্রকাশিত হলো [৩-৫] তাঁদের ফলাফল – যা তাঁদেরকে এনে দিয়েছে এবছরের নোবেল পুরষ্কার।

এবছরের নোবেল পুরষ্কারের পরীক্ষণ যদিও করা হয়েছিল প্রায় চল্লিশ বছর আগে, কিন্তু এই চল্লিশ বছরে কোয়ান্টাম টানেলিং-এর ম্যাক্রোস্কোপিক ব্যবহারযোগ্যতা অনেক বেশি বেড়েছে। কোয়ান্টাম ইলেকট্রনিকস এখন বাস্তবতা। অদূর ভবিষ্যতে কিউবিটের কোয়ান্টাম কম্পিউটার আমাদের হাতের নাগালে এসে যাবে বলে আশা করা যায়। তখন হয়তো কোয়ান্টাম মেকানিক্সের দুর্বোধ্যতার অপবাদ কিছুটা হলেও কমে যাবে।

 

তথ্যসূত্র

[১] বিজ্ঞানচিন্তা অক্টোবর ২০২২, সেপ্টেম্বর ২০২৫।

[২] প্রদীপ দেব, কোয়ান্টাম ভালবাসা, মীরা প্রকাশনী, ঢাকা ২০১৪।

[৩] এম এইচ ডেভোরে, জে এম মারটিনিস, ডি এসটিভ, জে এম ক্লার্ক, ফিজিক্যাল রিভিউ লেটার, সংখ্যা ৫৩, পৃ ১২৬০ (১৯৮৪)।

[৪] জে এম মারটিনিস, এম এইচ ডেভোরে, জে ক্লার্ক, ফিজিক্যাল রিভিউ লেটার, সংখ্যা ৫৫, পৃ ১৫৪৩ (১৯৮৫)।

[৫] এম এইচ ডেভোরে, জে এম মারটিনিস, জে ক্লার্ক, ফিজিক্যাল রিভিউ লেটার, সংখ্যা ৫৫, পৃ ১৯০৮ (১৯৮৫)।

[৬] নোবেল প্রাইজ ডট অর্গ।

_____________

বিজ্ঞানচিন্তা অক্টোবর ২০২৫ সংখ্যায় প্রকাশিত











Thursday, 27 November 2025

Terry Wogan's "The Little Book of Common Sense"

 

What we call common sense in English is not very common at all. If common sense could be learned by reading books, then those who have read many books and passed many exams wouldn’t be so lacking in it. Many years ago, I used to work at an educational institution. One of my colleagues would sit in the teachers’ common room—right in front of everyone—pluck his nose hairs and then blow them away into the air. The “common sense” of the common room!! Had he not read enough books?

Knowing full well that common sense cannot be increased by reading books, I still read Sir Terry Wogan’s The Little Book of Common Sense. The book is literally quite “little.” Only 133 pages, and quite small. There’s a lot of blank space on the pages too; they’re not filled from top to bottom with words. So, it was quite a comfortable read.

Sir Terry Wogan is a British journalist. Since 1972, he has been presenting BBC’s morning show. He was knighted in 2005. His experience and his characteristic humour make every line of the book thoroughly enjoyable.

On several essential matters of life, he has expressed very effective philosophies in just a few words. For example, about God he says: Never admit that you are an atheist. Keep your disbelief to yourself. Otherwise, you’ll spend your entire life listening to religious lectures. Even though he doesn’t mention the possibility of losing your life, we all know how that can turn out.

If you feel like speaking the truth to someone’s face, make sure it’s someone you will never have to meet again. If you speak unpleasant truths to a friend or family member, be prepared to hear extremely nasty things about yourself in return.

You must lie sometimes but be prepared to get caught—because lies don’t stay hidden for long.

Don’t regret too much about what has already happened. If you keep walking while looking back, you will bump into a lamppost.




On love, separation, affection, sexuality, kissing, jobs, wealth—he has written many amusing yet truthful short lines. For our talkativeness, he has written a few suitable lines: Never speak unless it is absolutely necessary. When you do speak, be as brief and to the point as possible. Don’t chatter just to show off. No one likes to hear your political speeches in elevators, buses, or trains. At any party, you will notice that everyone gathers around the person who quietly listens but does not talk much himself.




The book is very entertaining. I don’t know whether my common sense has increased, but I enjoyed reading it—and I felt good after finishing it.

 

Book: The Little Book of Common Sense

By Terry Wogan

Published by Orion, London, 2014.


Latest Post

রিফাৎ আরার অগ্রন্থিত ছোটগল্প: ভুল

  বাসের সিঁড়িতে লাফ দিয়ে উঠতেই তৃতীয় সারির সিটে বসা মানুষটার সাথে চোখাচোখি হল সুজনের। দুজনেই দুজনার দিকে তাকিয়ে রইল এক মুহূর্ত। মানুষটা চোখ ...

Popular Posts