馬里蘭大學科學家獲得了迄今為止最直接的證據，證明
量子特性
能使粒子
像不存在一樣
穿過屏障。這一研究結果發表在2019年6月20日出版的《自然》（Nature）封面上，可能會讓工程師們為未來的
量子計算機、量子感測器
和其他裝置設計出更多統一的元件。新實驗是對
克萊因隧穿現象
的觀察，這是一種更為普通的量子現象
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，讓更少的粒子透過。當勢壘變得完全透明時，
克萊因隧穿就發生了
，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奈米物理與先進材料中心（CNAM）、聯合量子研究所（JQI）和凝聚態理論中心（CMTC）的科學家和工程師，以及UMD材料科學與工程系和物理系的人員，對這種效應進行了
迄今為止
最引人注目的測量。密歇根州立大學材料科學與工程（MSE）教授、這項新研究的資深作者竹內一郎（Ichiro Takeuchi）說：
克萊因隧道效應
最初是相對論效應，大約
一百年前
就被首次預測，不過，直到最近，才可以觀察到它。克萊因隧穿證據幾乎是不可能收集到的，因為它是第一次被預測到——高能量子粒子以
接近光速
運動的世界。但在過去的幾十年裡，科學家們發現，一些控制快速移動的
量子粒子定律，
也適用於一些不尋常物質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，與金屬絲中自由漫遊的電子不同，絕緣體中的
電子不能傳導電流
。拓撲絕緣體，如六硼化釤（SmB6），表現得像
混合材料
。在足夠低的溫度下，六硼化釤（SmB6）的
內部是絕緣體，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
發現克萊因隧道。事實證明，Takeuchi和同事需要將六硼化釤（SmB6）表面轉變成一種
超導材料：
一種可以在
沒有電阻
的情況下傳導電流的材料。為了將六硼化釤（SmB6）轉化為超導體，科學家們在六硼化釔（YB6）層上覆蓋了一層六硼化釤薄膜。當整個組裝體冷卻到
絕對零度
以上幾度時，六硼化釔
變成了超導體
，由於它的接近性，六硼化釤的金屬表面也變成了超導體。UMD物理學教授、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
相同晶體結構
，這是“一個意外”。然而，多學科的團隊是這次成功的關鍵之一。擁有
拓撲物理
、薄膜合成、光譜學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。透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
進入超導體
的傳輸。觀察到一種完美的
雙電導：
一種測量電流如何透過一種物質隨著其電壓變化而變化的方法。Takeuch表示當我們第一次看到這個數字翻倍時，我並不相信。
畢竟，這是一個不尋常的觀察，所以讓博士後李承亨和研究科學家張曉航回去再做一次實驗。當Takeuchi和實驗同事們確信測量結果是準確的時候，他們一開始並不瞭解
雙電導
的來源，於是他們開始尋找一個解釋。UMD的Victor Galitski， JQI研究員，物理學教授和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可能是
觀測結果的根本
原因。MSE副研究員、JQI的研究科學家瓦倫丁斯坦內夫（Valentin Stanev）利用加利茨基的直覺
對克萊恩隧穿現象如何在六硼化釤系統中出現提出了一個詳細理論，
最終做出了與實驗資料吻合
良好的預測。該理論認為，克萊因隧穿在這個系統中表現為
安德烈夫反射
的一種完美形式，這種效應存在於金屬和超導體之間的每一個邊界。當金屬中的電
子躍遷
到超導體上時，就會發生安德烈夫反射。在超導體內部，電子被迫成對存在，所以當一個電子跳上超導體時，它會帶上一個夥伴。為了平衡躍遷前後的電荷，
帶有相反電荷的粒
子（科學家稱之為空穴）必須反射回金屬中。
這就是
安德烈夫反射的特徵
：一個電子進去，一個出來。由於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翻倍——這是克萊因隧穿金屬與拓撲超導體
結合處的特徵
。在傳統金屬和超導體之間的連線中，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
的數量，並防止電導精確地加倍。但是，由於六硼化釤表面
電子的運動方向
與它們的
自旋有關
，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體。
在石墨烯中也發現
了克萊恩隧穿現象，但在這裡，因為它是超導體，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。超導體和其他材料之間的連線，是一些
量子計算機
結構以及精密感測裝置的組成部分。這些元件的缺點一直是每個結都略有不同，需要無休止的調優和校準才能達到最佳效能。但隨著克萊恩隧道效應在六硼化釤中的
隧穿作用
，研究人員
終於找到了
解決這種不規則現象的良方。在電子領域，裝置到裝置的傳播是頭號敵人，這是一種擺脫了可變性的現象。
博科園｜研究/l來自：馬里蘭大學
參考期刊《自然》
DOI： 10。1038/s41586-019-1305-1
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