马里兰大学科学家获得了迄今为止最直接的证据，证明量子特性 能使粒子像不存在一样 穿过屏障。这一研究结果发表在2019年6月20日出版的《自然》(Nature)上，并上了本期封面，可能会让工程师们为未来的量子计算机、量子传感器 和其他设备设计出更多统一的组件。新实验是对克莱因隧穿现象 的观察，这是一种更为普通的量子现象特例 。在量子世界中，隧穿能使像电子这样的粒子穿过屏障，即使它们没有足够的能量穿过屏障。

更高的屏障通常会使这个过程更加困难，让更少的粒子通过。当势垒变得完全透明时，克莱因隧穿就发生了 ，打开了一个粒子可以穿越的通道 ，而无论势垒的高度如何。来自UMD纳米物理与先进材料中心(CNAM)、联合量子研究所(JQI)和凝聚态理论中心(CMTC)的科学家和工程师，以及UMD材料科学与工程系和物理系的人员，对这种效应进行了迄今为止 最引人注目的测量。密歇根州立大学材料科学与工程(MSE)教授、这项新研究的资深作者竹内一郎(Ichiro Takeuchi)说：

克莱因隧道效应 最初是相对论效应，大约一百年前 就被首次预测，不过，直到最近，才可以观察到它。克莱因隧穿证据几乎是不可能收集到的，因为它是第一次被预测到——高能量子粒子以接近光速 运动的世界。但在过去的几十年里，科学家们发现，一些控制快速移动的量子粒子定律， 也适用于一些不寻常物质表面附近相对缓慢的粒子。研究人员在这项新研究中使用的一种材料就是六硼化钐 (SmB6)，这种物质在低温下会成为拓扑绝缘体 。

在像木头、橡胶或空气这样的普通绝缘体 中，电子被捕获，即使施加电压也无法移动。因此，与金属丝中自由漫游的电子不同，绝缘体中的电子不能传导电流 。拓扑绝缘体，如六硼化钐(SmB6)，表现得像混合材料 。在足够低的温度下，六硼化钐(SmB6)的内部是绝缘体，但表面是金属 的，允许电子自由移动。此外，电子运动的方向被锁定在一个称为自旋 的内在量子特性上，这个特性可以向上或向下定向。例如，向右移动的电子总是自旋向上，向左移动的电子自旋向下。

然而，六硼化钐(SmB6)的金属表面不足以 发现克莱因隧道。事实证明，Takeuchi和同事需要将六硼化钐(SmB6)表面转变成一种超导材料： 一种可以在没有电阻 的情况下传导电流的材料。为了将六硼化钐(SmB6)转化为超导体，科学家们在六硼化钇(YB6)层上覆盖了一层六硼化钐薄膜。当整个组装体冷却到绝对零度 以上几度时，六硼化钇变成了超导体 ，由于它的接近性，六硼化钐的金属表面也变成了超导体。UMD物理学教授、CNAM的主任、该研究论文的合著者约翰皮埃尔?帕格里昂(Johnpierre Paglione)表示：

六硼化钐与其交换了六硼化钇的亲戚拥有相同晶体结构 ，这是“一个意外”。然而，多学科的团队是这次成功的关键之一。拥有拓扑物理 、薄膜合成、光谱学和理论理解方面的专家让我们走到了这一步。实验证明，这种组合是观察克莱因隧穿 的正确组合。通过让一个微小的金属尖端接触六硼化钐顶部，研究小组测量了电子从尖端进入超导体 的传输。观察到一种完美的双电导： 一种测量电流如何通过一种物质随着其电压变化而变化的方法。Takeuch表示当我们第一次看到这个数字翻倍时，我并不相信。

毕竟，这是一个不寻常的观察，所以让博士后李承亨和研究科学家张晓航回去再做一次实验。当Takeuchi和实验同事们确信测量结果是准确的时候，他们一开始并不了解双电导 的来源，于是他们开始寻找一个解释。UMD的Victor Galitski, JQI研究员，物理学教授和CMTC成员，认为克莱因隧道 可能参与其中。起初，这只是一种直觉，但随着时间的推移，研究人员越来越相信克莱因假设可能是

文章来源：《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2021/1113/1281.html

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