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(huì)讓工程師們?yōu)槲磥淼?strong>量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器和其他設(shè)備設(shè)計(jì)出更多統(tǒng)一的組件。

新實(shí)驗(yàn)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(huì)使這個(gè)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(shí)，克萊因隧穿就發(fā)生了，打開了一個(gè)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(jìn)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(jìn)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(xiàng)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?yàn)樗堑谝淮伪活A(yù)測到——高能量子粒子以接近光速運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(xiàng)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(huì)成為拓?fù)浣^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(dòng)。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?fù)浣^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(dòng)。此外，電子運(yùn)動(dòng)的方向被鎖定在一個(gè)稱為自旋的內(nèi)在量子特性上，這個(gè)特性可以向上或向下定向。例如，向右移動(dòng)的電子總是自旋向上，向左移動(dòng)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(shí)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(gè)組裝體冷卻到絕對零度以上幾度時(shí)，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(gè)意外”。然而，多學(xué)科的團(tuán)隊(duì)是這次成功的關(guān)鍵之一。擁有拓?fù)湮锢?/strong>、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(shí)驗(yàn)證明，這種組合是觀察克萊因隧穿的正確組合。通過讓一個(gè)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(jìn)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(gè)數(shù)字翻倍時(shí)，我并不相信。

畢竟，這是一個(gè)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(shí)驗(yàn)。當(dāng)Takeuchi和實(shí)驗(yàn)同事們確信測量結(jié)果是準(zhǔn)確的時(shí)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(gè)解釋。UMD的Victor Galitski, JQI研究員，物理學(xué)教授和CMTC成員，認(rèn)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(shí)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(gè)詳細(xì)理論，最終做出了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好的預(yù)測。該理論認(rèn)為，克萊因隧穿在這個(gè)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(gè)邊界。當(dāng)金屬中的電子躍遷到超導(dǎo)體上時(shí)，就會(huì)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(gè)電子跳上超導(dǎo)體時(shí)，它會(huì)帶上一個(gè)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(gè)電子進(jìn)去，一個(gè)出來。由于一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的相反電荷粒子所攜帶的電流與一個(gè)方向相反電子所攜帶的電流相同，因此整個(gè)過程會(huì)使總電導(dǎo)翻倍——這是克萊因隧穿金屬與拓?fù)涑瑢?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(yùn)動(dòng)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(huì)直接進(jìn)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?yàn)樗浅瑢?dǎo)體，我想說效果更壯觀。會(huì)得到精確的倍增和完全的散射抵消，石墨烯實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(diǎn)一直是每個(gè)結(jié)都略有不同，需要無休止的調(diào)優(yōu)和校準(zhǔn)才能達(dá)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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