奇特的量子隧穿现象：穿墙术“演员”如何解决量子计算问题

克莱因隧穿，一个带负电荷的电子(颜色鲜艳的球体)可以完美地穿过障碍

想象一下当你正在行走的时候，遇到了一个障碍物，比如一堵墙或者一棵树。如果要继续前行，唯一的办法就是绕过去。但是如果你拥有和量子粒子一样的超能力呢？

量子力学的奇怪定律有时允许粒子直接穿过障碍，就像它们不存在一样。但是，随着障碍越来越大，穿越这些屏障的难度也越来越大，这就使得能够穿透屏障的粒子越来越少。然而，量子隧穿的一个特殊例子——克莱因隧穿——改变了这一规则。它几乎可以视屏障于无物，即使是在非常高大的墙壁挡住它们的道路时也允许粒子畅通无阻。

近100年前，瑞典物理学家奥斯卡·克莱因首次预言了这一现象。然而直到最近，科学家们才发现了非常有限的一点迹象。在6月19日发表在《自然》杂志上的一项研究中，一个跨学科的研究小组发表了克莱因隧道效应的直接证据。

意外发现

该研究并不是第一个直接观察到这种效应的研究。“克莱因隧穿在石墨烯（一种碳基材料）中得到了很好的证明，”斯坦福大学的物理学家大卫·戈德哈伯-戈登（David Goldhaber-Gordon）说。马里兰大学帕克分校（University of Maryland, College Park）材料科学家、这项新研究的资深作者竹内一郎（Ichiro Takeuchi）说，在这一发现之前，“人们并没有真正考虑”寻找克莱因隧道现象的实验证据，而是“把它束之高悬”。然而，底特律韦恩州立大学（Wayne State University）物理学家鲍里斯•纳德戈尼（Boris Nadgorny）表示：“目前的研究结果比石墨烯研究更直接。”。他说，研究人员使用了“设计巧妙的实验装置”。

荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）卡弗里纳米科学研究所（Kavli Institute of Nanoscience）的量子纳米科学家滕•克拉普维克（Teun Klapwijk）说：“我认为这是一个突破性的发现，因为这是在理论上已经被证明的可能现象……但人们必须找到一个能够令人信服地展示这一现象的实验系统和观察结果。”他补充说，这个特别的实验是“一个独立实验探索和思考的清晰案例”。

这一发现另一个令人震惊的地方在于，研究人员原本并没有打算观察这一现象。“这个项目源于对拓扑绝缘体的研究，”马里兰大学物理学家、该研究的合著者约翰皮埃尔·帕格里昂（Johnpierre Paglione）说。拓扑绝缘体是一种奇怪的材料，内部绝缘，但表面导电。

在过去的几年里，他和他的同事研究了一种叫做六硼化钐的材料，并努力证明它是一种拓扑绝缘体。他们正在寻找六硼化钐表现出量子行为的迹象，这是证明一种材料确实是拓扑绝缘体的重要方面。

完美的导电性

 

研究人员将六硼化钐薄膜覆盖在另一种化合物上，这种化合物在低温下会变成超导体——一种可以无电阻导电的材料。当它们把所有的东西冷却到绝对零度（-273.15摄氏度）以上几度时，第二种材料变成了超导体，由于它们的紧密接触，六硼化钐的金属表面也变成了超导体。然后，科学家们将一个微小的金属尖端接触六硼化钐的表面，研究电子是如何进入第二种材料的。

在金属和超导体之间的每一个边界，都会发生一种特殊类型的反射，称为安德烈夫反射，这是由于超导体中的电子只成对存在。就像在二人三脚的比赛中一样，当一个电子从金属跳跃到超导体时，它必须带上一个“伙伴”。然而，由于在系统中电荷必须是平衡的，一个带正电荷的“空穴”（本质上，本来应该有电子的地方没有电子）必须从超导体跳回到金属上。

研究人员通过测量系统的导电性来解释电子和“空穴”的运动。如果每个试图跃入超导体的电子都成功了，那么电导就会加倍。然而，这通常不会发生，因为在大多数情况下，一些电子没有足够的能量跃迁。能量较低的电子从金属和超导体之间的边界反射回来，使系统的电导超过100%，但还达不到原来的两倍。

令研究人员惊讶的是，在六硼化钐实验中，电导率完美地增加了一倍。这些结果在反复试验中得到了证实。他认为克莱因隧穿使所有电子都能钻过两种材料之间的物理界面。另一个与电子自旋有关的守恒定律阻止了那些没有能量跃过势垒的电子回到它们原来的位置，所以它们“必须通过隧道”，这导致了完美的导电加倍。

这些通过实验证明的令人兴奋的结果表明，在拓扑绝缘体六硼化钐（samarium hexaboride）中的正常点接触（即微小的金属尖端）和近似诱导超导体（proximi -induced superconductor）之间存在完美的安德烈夫反射。这项研究将这些意想不到的、优雅的结果与电子正常散射联的确实联系起来。正常散射是克莱因隧穿现象的关键表现之一。”

既然研究人员已经证明了这种量子特性，帕格里昂希望利用他们的发现改进传统的计算机组件，甚至为未来的量子设备创造材料。他说，利用电子的隧穿能力可以帮助设计“完美的晶体管”，甚至可以解决量子计算机中的连接点问题。然而，通往大规模应用的道路仍需科学家、企业家等跟随“哥伦布”持续不断地探索发现新大陆。