馬里蘭大學(xué)科學(xué)家獲得了迄今為止最直接的證據(jù)，證明量子特性能使粒子像不存在一樣穿過屏障。這一研究結(jié)果發(fā)表在2019年6月20日出版的《自然》(Nature)上，并上了本期封面，可能會讓工程師們?yōu)槲磥淼?strong>量子計算機、量子傳感器和其他設(shè)備設(shè)計出更多統(tǒng)一的組件。

新實驗是對克萊因隧穿現(xiàn)象的觀察，這是一種更為普通的量子現(xiàn)象特例。在量子世界中，隧穿能使像電子這樣的粒子穿過屏障，即使它們沒有足夠的能量穿過屏障。

更高的屏障通常會使這個過程更加困難，讓更少的粒子通過。當(dāng)勢壘變得完全透明時，克萊因隧穿就發(fā)生了，打開了一個粒子可以穿越的通道，而無論勢壘的高度如何。來自UMD納米物理與先進材料中心(CNAM)、聯(lián)合量子研究所(JQI)和凝聚態(tài)理論中心(CMTC)的科學(xué)家和工程師，以及UMD材料科學(xué)與工程系和物理系的人員，對這種效應(yīng)進行了迄今為止最引人注目的測量。密歇根州立大學(xué)材料科學(xué)與工程(MSE)教授、這項新研究的資深作者竹內(nèi)一郎(Ichiro Takeuchi)說：

克萊因隧道效應(yīng)最初是相對論效應(yīng)，大約一百年前就被首次預(yù)測，不過，直到最近，才可以觀察到它?？巳R因隧穿證據(jù)幾乎是不可能收集到的，因為它是第一次被預(yù)測到——高能量子粒子以接近光速運動的世界。但在過去的幾十年里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一些控制快速移動的量子粒子定律，也適用于一些不尋常物質(zhì)表面附近相對緩慢的粒子。研究人員在這項新研究中使用的一種材料就是六硼化釤(SmB6)，這種物質(zhì)在低溫下會成為拓撲絕緣體。

在像木頭、橡膠或空氣這樣的普通絕緣體中，電子被捕獲，即使施加電壓也無法移動。因此，與金屬絲中自由漫游的電子不同，絕緣體中的電子不能傳導(dǎo)電流。拓撲絕緣體，如六硼化釤(SmB6)，表現(xiàn)得像混合材料。在足夠低的溫度下，六硼化釤(SmB6)的內(nèi)部是絕緣體，但表面是金屬的，允許電子自由移動。此外，電子運動的方向被鎖定在一個稱為自旋的內(nèi)在量子特性上，這個特性可以向上或向下定向。例如，向右移動的電子總是自旋向上，向左移動的電子自旋向下。

然而，六硼化釤(SmB6)的金屬表面不足以發(fā)現(xiàn)克萊因隧道。事實證明，Takeuchi和同事需要將六硼化釤(SmB6)表面轉(zhuǎn)變成一種超導(dǎo)材料：一種可以在沒有電阻的情況下傳導(dǎo)電流的材料。為了將六硼化釤(SmB6)轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)體，科學(xué)家們在六硼化釔(YB6)層上覆蓋了一層六硼化釤薄膜。當(dāng)整個組裝體冷卻到絕對零度以上幾度時，六硼化釔變成了超導(dǎo)體，由于它的接近性，六硼化釤的金屬表面也變成了超導(dǎo)體。UMD物理學(xué)教授、CNAM的主任、該研究論文的合著者約翰皮埃爾?帕格里昂(Johnpierre Paglione)表示：

六硼化釤與其交換了六硼化釔的親戚擁有相同晶體結(jié)構(gòu)，這是“一個意外”。然而，多學(xué)科的團隊是這次成功的關(guān)鍵之一。擁有拓撲物理、薄膜合成、光譜學(xué)和理論理解方面的專家讓我們走到了這一步。實驗證明，這種組合是觀察克萊因隧穿的正確組合。通過讓一個微小的金屬尖端接觸六硼化釤頂部，研究小組測量了電子從尖端進入超導(dǎo)體的傳輸。觀察到一種完美的雙電導(dǎo)：一種測量電流如何通過一種物質(zhì)隨著其電壓變化而變化的方法。Takeuch表示當(dāng)我們第一次看到這個數(shù)字翻倍時，我并不相信。

畢竟，這是一個不尋常的觀察，所以讓博士后李承亨和研究科學(xué)家張曉航回去再做一次實驗。當(dāng)Takeuchi和實驗同事們確信測量結(jié)果是準(zhǔn)確的時候，他們一開始并不了解雙電導(dǎo)的來源，于是他們開始尋找一個解釋。UMD的Victor Galitski, JQI研究員，物理學(xué)教授和CMTC成員，認為克萊因隧道可能參與其中。起初，這只是一種直覺，但隨著時間的推移，研究人員越來越相信克萊因假設(shè)可能是觀測結(jié)果的根本原因。MSE副研究員、JQI的研究科學(xué)家瓦倫丁?斯坦內(nèi)夫(Valentin Stanev)利用加利茨基的直覺

對克萊恩隧穿現(xiàn)象如何在六硼化釤系統(tǒng)中出現(xiàn)提出了一個詳細理論，最終做出了與實驗數(shù)據(jù)吻合良好的預(yù)測。該理論認為，克萊因隧穿在這個系統(tǒng)中表現(xiàn)為安德烈夫反射的一種完美形式，這種效應(yīng)存在于金屬和超導(dǎo)體之間的每一個邊界。當(dāng)金屬中的電子躍遷到超導(dǎo)體上時，就會發(fā)生安德烈夫反射。在超導(dǎo)體內(nèi)部，電子被迫成對存在，所以當(dāng)一個電子跳上超導(dǎo)體時，它會帶上一個伙伴。為了平衡躍遷前后的電荷，帶有相反電荷的粒子(科學(xué)家稱之為空穴)必須反射回金屬中。

這就是安德烈夫反射的特征：一個電子進去，一個出來。由于一個方向上運動的相反電荷粒子所攜帶的電流與一個方向相反電子所攜帶的電流相同，因此整個過程會使總電導(dǎo)翻倍——這是克萊因隧穿金屬與拓撲超導(dǎo)體結(jié)合處的特征。在傳統(tǒng)金屬和超導(dǎo)體之間的連接中，總是有一些電子沒有躍遷。它們分散在邊界之外，減少了安德烈夫反射的數(shù)量，并防止電導(dǎo)精確地加倍。但是，由于六硼化釤表面電子的運動方向與它們的自旋有關(guān)，靠近邊界的電子無法反彈回來，這意味著它們總是會直接進入超導(dǎo)體。

在石墨烯中也發(fā)現(xiàn)了克萊恩隧穿現(xiàn)象，但在這里，因為它是超導(dǎo)體，我想說效果更壯觀。會得到精確的倍增和完全的散射抵消，石墨烯實驗中沒有類似的情況。超導(dǎo)體和其他材料之間的連接，是一些量子計算機結(jié)構(gòu)以及精密傳感設(shè)備的組成部分。這些組件的缺點一直是每個結(jié)都略有不同，需要無休止的調(diào)優(yōu)和校準(zhǔn)才能達到最佳性能。但隨著克萊恩隧道效應(yīng)在六硼化釤中的隧穿作用，研究人員終于找到了解決這種不規(guī)則現(xiàn)象的良方。在電子領(lǐng)域，設(shè)備到設(shè)備的傳播是頭號敵人，這是一種擺脫了可變性的現(xiàn)象。

博科園｜研究/來自：馬里蘭大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1305-1

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