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量子隧道现象中的“奇葩”

来源:环球科学
在克莱因隧道中,一个带负电的电子(颜色偏亮的球体)能够完美地通过障碍物。(图片来源:Emily Edward 联合量子研究所)
想象你正在走路,并遇到了路障,比如说一座小山丘或一堵墙。唯一能到达另一面的方法就是翻过这个路障。不过,如果你有像量子粒子一样的超能力又会怎样呢?
量子力学奇怪的定理使粒子有时能够若无其事地穿过障碍物,就算这些路障对粒子来说根本高不可攀。但是,形成这种隧道的挑战随路障变高而增加,使得更少粒子能够通过。然而有一个例外:一种叫做克莱因隧道的量子隧道能够改变游戏规则。即使有很高的墙挡在它们面前,它也能使得路障如同透明一般,打开了允许粒子通过的通道。
近100年前,瑞典物理学家Oskar Klein预测了这一现象。然而直至今日,科学家们发现的相关线索少之又少。最近,发表在《自然》的一篇研究中,一个包含来自各个学科研究员的团队公开了克莱因隧道的直接证据。
意外的发现
这项研究一开始并不是为了直接观察这一现象的。“在石墨烯(一种碳基材料)中能很好地观察到克莱因隧道现象,”一位斯坦福大学的物理学家David Goldhaber-Gordon说。他并没有参与这项研究。在这项发现之前,“人们并不怎么想寻找克莱因隧道的实验证据,并把它束之高阁”,马里兰大学帕克分校的材料科学家兼工程师Ichiro Takeuchi说。他也是这份新研究的资深作者。“然而,现在的研究工作成果比关于石墨烯的研究结果更直接”,底特律韦恩州立大学的物理学家Boris Nadgorny说。他并没有参与这项研究。研究员们还用了“巧妙设计的实验设置”,他说。
“我认为这是划时代的,” 荷兰代尔夫特理工大学Kavli纳米科学研究所的量子纳米科学家Teun Klapwijk说。他并没参与这项研究,“因为这现象从理论上来说可能发生……但必须有一套实验系统能确信地展现这种现象。”这一特定实验就是“一个独立实验探索与思考的清晰例子,”他补充道。
这项发现也许更加令人震惊,因为研究员们的初衷并不是观察到这种现象。“这个项目从我们关于拓扑绝缘体的研究开始,”马里兰大学的物理学家Johnpierre Paglione说。他也是这项研究的协同作者。拓扑绝缘体是一类内部绝缘表面导电的奇怪材料。
在过去几年,他和他的同事们研究了一种叫六硼化钐的材料,并证明它是一种拓扑绝缘体。他们当时正在寻找六硼化钐量子行为的迹象。这种量子行为是证明这种材料确实是拓扑绝缘体很重要的一个方面。
完美导电性
研究人员把一层薄薄的六硼化钐放到另一层在低温下为超导体的材料上。超导体是一种导电时没有电阻的材料。当他们把温度降到绝对零度(-273.15摄氏度)以上没几度时,第二种材料变成了超导体,由于距离相近,六硼化钐的金属表层也变成了超导体。然后,科学家们用细小的金属针尖触碰六硼化钐的表面,并研究电子是如何传到第二层材料中去的。
在每个金属和超导体的分界线处,一种叫做安德列夫反射的特殊反射发生了。这种现象的发生是因为在超导体中,电子只以电子对的形式存在。就像两个参加“二人三足”游戏的人一样,当一个电子从金属跃迁到超导体中时,它会带上自己的“伙伴”。然而,因为一个系统中的电荷守恒,一个带正电的“空穴”(基本上就是一个没有电子的电子位)必须从超导体跳回到金属中。
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,那导电性就会翻倍。但事实上那并没有发生,因为大多数情况下,部分电子没有足够的能量完成跃迁。能量较少的电子就在金属和超导体的分界线处反射了回来,使系统的导电性大于100%,但不到200%。
出乎研究人员的意料,完美的两倍导电性在他们六硼化钐的实验中出现了。而且经过多次重复测试,都得到了同样的结果。研究团队带着这奇怪的结果找到了马里兰大学的理论物理学家Victor Galitski。他提出是克莱因隧道允许所有的电子穿过两种材料之间的物理界面。另一条与电子自旋有关的守恒定理阻止了那些缺少跃迁能量的电子回到原来的地方,所以它们“只能挖个隧道过去,”他说,这导致了完美的两倍导电性。
“这些令人兴奋的实验结果演示了在拓扑绝缘体,也就是六硼化钐中,一个正常接触点(细小的金属针尖)和近距离诱导产生的超导体之间的完美安德列夫反射,”Nadgorny说。“这项研究把这些不可预料又优雅的结果和异常“电子”散射联系在了一起,这正是克莱因隧道的表现之一。”他补充道。
既然现在研究人员已经演示了这个量子奇葩,他们希望能用这项发现提升传统电脑元件,或甚至创造明日量子设备的材料,Paglione说。利用电子的隧道效应,我们也许能设计出“理想的晶体管”,或甚至解决量子计算机节点的问题。然而Klapwijk警示道:“把理论运用到实践中往往比它看起来要难得多”。
作者:Rachel Crowell
翻译:费哲妮
审校:潘燕婷
引进来源:科学美国人
引进链接:https://www.scientificamerican.com/article/quirky-quantum-tunneling-observed/
本文来自:环球科学
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