想象一下，你正在行走，遇到一個障礙，比如一座小山或一面牆。到達另一邊的唯一方法是爬到山頂然後翻過去。但是，如果你擁有與量子粒子相同的超能力呢？
奇怪的量子力學定律允許粒子有時像沒有障礙物一樣穿過障礙物，即使粒子無法爬過它們路徑上的任何東西。但是，隨著障礙物的增高，穿過這些障礙的挑戰也會增加，從而導致更少的粒子能夠突破。然而，一種稱為克萊因隧穿的特殊量子隧穿情況改變了遊戲規則。它有效地使屏障變得透明，打開了允許粒子透過的門戶，即使非常高的牆壁擋在它們的路上。
近 100 年前，瑞典物理學家奧斯卡·克萊因首次預測了這種現象。然而直到最近，科學家們才看到非常有限的跡象。在 6 月 19 日發表在《自然》雜誌上的一項研究中，一個跨學科研究團隊展示了克萊因隧穿的直接證據。
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意外發現
這項研究並不是第一個直接觀察到這種效應的研究。“克萊因隧穿在石墨烯這種碳基材料中已經得到了很好的證明，”斯坦福大學的物理學家大衛·戈德哈伯-戈登說，他沒有參與這項研究。在此發現之前，“人們並沒有真正考慮過”尋找克萊因隧穿的實驗證據，並將其“擱置了起來”，馬里蘭大學帕克分校的材料科學家和工程師、這項新研究的資深作者市川竹內說。“然而，目前這項工作的結果比在石墨烯研究中發現的結果更直接，”底特律韋恩州立大學的物理學家鮑里斯·納德戈爾尼說，他沒有參與這項研究。他說，研究人員還使用了“巧妙設計的實驗裝置”。
“我會稱之為突破性的進展，”荷蘭代爾夫特理工大學卡弗里納米科學研究所的量子奈米科學家特恩·克拉普韋克說，他沒有參與這項研究，“因為這是一種人們可能會在紙上期望發生的現象……但人們必須找到一個令人信服地展示這種現象的實驗系統。”他補充說，這個特別的實驗之所以脫穎而出，是因為它是“一個清晰的獨立實驗探索和思考的案例”。
這項發現或許更令人震驚，因為研究人員並非著手觀察這種現象的發生。“這個專案源於我們對拓撲絕緣體的研究，”馬里蘭大學的物理學家、該研究的合著者約翰皮埃爾·帕格利奧內說。拓撲絕緣體是具有絕緣內部但具有導電錶面的奇異材料。
在過去的幾年裡，他和他的同事們一直在研究一種名為六硼化釤的材料，並努力證明它是一種拓撲絕緣體。他們正在尋找六硼化釤表現出量子行為的跡象，這是證明一種材料確實是拓撲絕緣體的重要方面。
完美的電導
研究人員將一層薄薄的六硼化釤薄膜放置在另一種化合物之上，該化合物在低溫下會變成超導體——一種可以無電阻導電的材料。當他們將所有東西冷卻到僅高於絕對零度（-273.15攝氏度）幾度時，第二種材料變成了超導體，並且由於它們非常接近，六硼化釤的金屬表面也變成了超導體。然後，科學家們將一個微小的金屬尖端觸碰六硼化釤的表面，並研究電子如何進入第二種材料。
在金屬和超導體之間的每個邊界處，都會發生一種稱為安德列夫反射的特殊反射，這源於超導體中的電子僅成對存在的事實。就像三條腿賽跑中的兩個人一樣，當一個電子從金屬跳到超導體時，它必須帶上一個“夥伴”。然而，由於系統中的電荷必須平衡，一個帶正電的“空穴”——本質上是一個本應有電子的地方缺少電子——必須從超導體跳回金屬。
研究人員透過測量系統的電導來解釋電子和“空穴”的運動。如果每個試圖跳入超導體的電子都成功了，則電導將加倍。然而，這種情況通常不會發生，因為在大多數情況下，一些電子沒有足夠的能量進行跳躍。能量較低的電子會在金屬和超導體之間的邊界處反射，使得系統的電導大於 100%，但小於加倍。
令研究人員震驚的是，在他們的六硼化釤實驗中發生了完美加倍的電導。該團隊向馬里蘭大學的理論物理學家維克多·加利茨基提出了奇怪的結果，這些結果在重複試驗中得到了證實。他認為，克萊因隧穿允許所有電子穿過兩種材料之間的物理介面。與電子自旋相關的另一條守恆定律阻止了那些缺乏能量跳過障礙的電子簡單地回到它們來的地方，因此它們“必須隧穿過去，”他說，從而導致完美加倍的電導。
納德戈爾尼說，“這些激動人心的結果透過實驗證明了在拓撲絕緣體六硼化釤中的正常點接觸（微小的金屬尖端）和鄰近感應超導體之間存在完美的安德列夫反射。”他補充說，“這項研究將這些意想不到且優雅的結果與正常[電子]散射的缺失聯絡起來，這是克萊因隧穿的關鍵表現之一。”
帕格利奧內說，既然研究人員已經證明了這種量子怪癖，他們希望利用他們的發現來改進傳統的計算機元件，甚至為未來的量子裝置創造材料。他說，利用電子的隧穿能力可以幫助設計“完美的電晶體”，甚至解決量子計算機中連線的問題。然而，克拉普韋克警告說，“實現應用的途徑比通常看起來的要複雜得多”。