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重磅!发现完美的量子门,能使粒子像不存在一样穿过屏障

2019-06-20  伟天英

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。

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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:

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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

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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。

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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:

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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。

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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观测结果的根本原因。MSE副研究员、JQI的研究科学家瓦伦丁·斯坦内夫(Valentin Stanev)利用加利茨基的直觉

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对克莱恩隧穿现象如何在六硼化钐系统中出现提出了一个详细理论,最终做出了与实验数据吻合良好的预测。该理论认为,克莱因隧穿在这个系统中表现为安德烈夫反射的一种完美形式,这种效应存在于金属和超导体之间的每一个边界。当金属中的电子跃迁到超导体上时,就会发生安德烈夫反射。在超导体内部,电子被迫成对存在,所以当一个电子跳上超导体时,它会带上一个伙伴。为了平衡跃迁前后的电荷,带有相反电荷的粒子(科学家称之为空穴)必须反射回金属中。

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这就是安德烈夫反射的特征:一个电子进去,一个出来。由于一个方向上运动的相反电荷粒子所携带的电流与一个方向相反电子所携带的电流相同,因此整个过程会使总电导翻倍——这是克莱因隧穿金属与拓扑超导体结合处的特征。在传统金属和超导体之间的连接中,总是有一些电子没有跃迁。它们分散在边界之外,减少了安德烈夫反射的数量,并防止电导精确地加倍。但是,由于六硼化钐表面电子的运动方向与它们的自旋有关,靠近边界的电子无法反弹回来,这意味着它们总是会直接进入超导体。

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在石墨烯中也发现了克莱恩隧穿现象,但在这里,因为它是超导体,我想说效果更壮观。会得到精确的倍增和完全的散射抵消,石墨烯实验中没有类似的情况。超导体和其他材料之间的连接,是一些量子计算机结构以及精密传感设备的组成部分。这些组件的缺点一直是每个结都略有不同,需要无休止的调优和校准才能达到最佳性能。但随着克莱恩隧道效应在六硼化钐中的隧穿作用,研究人员终于找到了解决这种不规则现象的良方。在电子领域,设备到设备的传播是头号敌人,这是一种摆脱了可变性的现象。

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