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智東西（公眾號：zhidxcom）編 | 年年

導(dǎo)語：一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)了克萊恩隧穿（Klein tunneling）的直接證據(jù)，它能使粒子輕松穿過最堅(jiān)硬的屏障。

智東西7月17日消息，美國一個研究團(tuán)隊(duì)在拓?fù)浣^緣體的研究中偶然發(fā)現(xiàn)了可以證明克萊恩隧穿（Klein tunneling）的直接證據(jù)。

克萊恩隧穿是1929年瑞典物理學(xué)家Oskar Klein在研究勢壘中的電子散射問題時(shí)首先預(yù)測到的，在非相對論量子隧道理論中，低能粒子穿透高能勢壘的幾率永遠(yuǎn)不會是100%，而克萊恩隧穿中則認(rèn)為相對論粒子可以很輕易地穿越又高又寬的勢壘，成功率高達(dá)100%。

這個團(tuán)隊(duì)在六硼化釤實(shí)驗(yàn)中，利用完美的雙重電導(dǎo)現(xiàn)象，間接證明了克萊因隧穿的存在。這一證明將進(jìn)一步推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)與設(shè)計(jì)。

▲在Klein隧穿中，帶負(fù)電荷的電子（顏色鮮艷的球體）可以完美地穿過一個屏障。

科學(xué)美國人（scientificamerican）的這篇報(bào)道為我們揭示了克萊恩隧穿直接證據(jù)被發(fā)現(xiàn)的全過程，并通過其自身允許粒子輕松穿越障礙的特性，為我們分析了這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對未來量子計(jì)算發(fā)展的重要作用。

以下為基于原文編譯：

想象你正在行走，遇到一個障礙，比如一座小山或一堵墻。唯一能到達(dá)另一邊的方法就是爬到上面再爬過去。但是，如果你有和量子粒子一樣的超能力呢？

量子力學(xué)的特殊定律允許粒子有時(shí)就像沒有遇到阻礙一樣突破障礙，即使粒子不能爬過路徑上的任何東西。但是，隨著路障越來越高，穿越這些障礙物的挑戰(zhàn)也越來越大，這使得通過這些障礙物的粒子越來越少。然而，一個叫做克萊恩隧穿的量子隧穿改變了游戲。即使當(dāng)極高的障礙擋住去路的時(shí)候，它也能有效地使屏障透明從而打開允許粒子通過的入口。

近100年前，瑞典物理學(xué)家Oskar Klein首次預(yù)言了這一現(xiàn)象。然而直到最近，科學(xué)家們還只發(fā)現(xiàn)了非常有限的跡象。在6月19日發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究中，一個跨學(xué)科的研究小組提出了克萊恩隧穿的直接證據(jù)。

一、來源于拓?fù)浣^緣體研究的偶然發(fā)現(xiàn)

該研究并不是第一個直接觀察到這種效應(yīng)的研究。斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家David Goldhaber-Gordon沒有參與這項(xiàng)研究，他說：“克萊因隧穿已經(jīng)在石墨烯中得到了很好的證明?！?/p>

“在那次發(fā)現(xiàn)之前，人們并沒有真正考慮過尋找克萊因隧穿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)并將其公之于眾，”馬里蘭大學(xué)帕克分校的材料科學(xué)家和工程師、這項(xiàng)新研究的作者Ichiro Takeuchi說道。

然而，底特律韋恩州立大學(xué)的物理學(xué)家Boris Nadgorny表示：“與石墨烯研究相比，目前的研究結(jié)果更直接?！彼f，研究人員還使用了一種“精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置”。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)卡夫利納米科學(xué)研究所的量子納米科學(xué)家Teun Klapwijk說：“我會把這稱之為突破，因?yàn)檫@是一種理論上可能會發(fā)生的現(xiàn)象，但是必須要有一個可以令人信服地顯示這種現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?！薄斑@個特殊實(shí)驗(yàn)是獨(dú)立實(shí)驗(yàn)探索和思考的明顯案例。”

更令人震驚的是，研究人員在實(shí)際中并沒有著手去觀察這種現(xiàn)象。“這個項(xiàng)目源于我們對拓?fù)浣^緣體的研究，”馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家、該研究的合著者Johnpierre Paglione說。拓?fù)浣^緣體是一種內(nèi)部絕緣但表面導(dǎo)電的特殊材料。

在過去的幾年里，他和他的同事研究了一種名為六硼化釤（samarium hexaboride）的材料，并努力證明它是一種拓?fù)浣^緣體。他們正在尋找六硼化釤表現(xiàn)出量子行為的跡象，這是證明材料確實(shí)是拓?fù)浣^緣體的一個重要方面。

二、完美雙重電導(dǎo)，粒子輕松穿越壁障

研究人員將六硼化釤薄膜放在另一種化合物的頂部，這種化合物在低溫下會變成超導(dǎo)體（可無電阻導(dǎo)電的材料）。當(dāng)他們把所有東西冷卻到略高于絕對零度幾度（–273.15攝氏度）時(shí)，第二種材料就變成了超導(dǎo)體，通過它們的近距離接觸，六硼化釤的金屬表面也變成了超導(dǎo)體。然后，科學(xué)家們將一個微小的金屬尖端接觸到六硼化釤的表面，研究電子是如何進(jìn)入第二種物質(zhì)的。

在金屬和超導(dǎo)體之間的每一個邊界處，都會發(fā)生一種稱為安德列夫反射（Andreev reflection）的特殊類型反射，這是由于超導(dǎo)體中的電子只成對存在。就像三條腿競賽中的兩個人一樣，當(dāng)一個電子從金屬跳到超導(dǎo)體時(shí)，它必須帶上一個“伙伴”。因?yàn)殡姾杀仨氃谙到y(tǒng)中保持平衡，所以如果超導(dǎo)體中的一個電子缺少正電荷，那么就應(yīng)該有另一個帶負(fù)電荷的電子從超導(dǎo)體跳回到金屬。

研究人員通過測量系統(tǒng)的電導(dǎo)來解釋這一現(xiàn)象。如果每一個試圖躍遷到超導(dǎo)體中的電子都成功的話，電導(dǎo)就會加倍。然而，這通常不會發(fā)生，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，一些電子沒有足夠的能量來進(jìn)行跳躍。能量較低的電子從金屬和超導(dǎo)體之間的邊界反射出去，使系統(tǒng)的電導(dǎo)超過100%，但不到兩倍。

令研究人員震驚的是，六硼化釤實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了完美的雙重電導(dǎo)。研究小組帶著這些在反復(fù)試驗(yàn)中得到了證實(shí)的異常結(jié)果，找到了馬里蘭大學(xué)的理論物理學(xué)家Victor Galitski，他認(rèn)為克萊恩隧穿允許所有的電子穿過兩種材料之間的物理界面。另一個與電子自旋有關(guān)的守恒定律可以阻止那些沒有能量跳過壁壘的電子返回它們來的地方，因此它們“必須穿過隧穿”才能導(dǎo)致電導(dǎo)完全加倍。

“這些激動人心的結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)證明了正常點(diǎn)接觸之間的完美安德列夫反射”，這種接觸是在微小的金屬尖端和拓?fù)浣^緣體中的鄰近誘導(dǎo)超導(dǎo)體六硼化釤之間進(jìn)行的，Boris Nadgorny說?！斑@項(xiàng)研究將這些意想不到的結(jié)果與缺乏正常電子散射聯(lián)系起來，這是克萊因隧穿的關(guān)鍵表現(xiàn)之一，”他補(bǔ)充道。

Johnpierre Paglione說，既然研究人員已經(jīng)證明了這一量子特性，他們希望利用他們的發(fā)現(xiàn)改進(jìn)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)部件，甚至為未來的量子器件創(chuàng)造材料。他說，利用電子的隧穿能力可以幫助設(shè)計(jì)“完美的晶體管”，甚至可以解決量子計(jì)算機(jī)中節(jié)點(diǎn)的問題。然而，Teun Klapwijk警告說，“通往應(yīng)用程序的路徑比它經(jīng)常出現(xiàn)的要復(fù)雜得多”。

結(jié)語：新發(fā)現(xiàn)或促進(jìn)量子計(jì)算進(jìn)步

量子計(jì)算在近幾年不斷躥紅，并和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人工智能技術(shù)并列為當(dāng)今世界三大最重要的技術(shù)。

美國研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的克萊恩隧穿的直接證據(jù)，證明了粒子可以輕松穿越障礙這一量子特性，這對于量子計(jì)算的發(fā)展有著重要的作用。

這一發(fā)現(xiàn)雖然具有突破性，但是如何促進(jìn)量子計(jì)算進(jìn)一步的發(fā)展，如何突破目前量子計(jì)算的壁障還是需要全世界科學(xué)界不斷研究的問題。