完美的量子門戶在異國情調(diào)的界面出現(xiàn)

馬里蘭大學(xué)的研究人員已經(jīng)獲得了迄今為止最直接的證據(jù)，即量子怪癖可以使粒子穿過障礙物，就像它甚至不存在一樣。結(jié)果發(fā)表在2019年6月20日的“ 自然 ”雜志的封面上，可以使工程師為未來的量子計算機，量子傳感器和其他設(shè)備設(shè)計更加統(tǒng)一的組件。

新實驗是對克萊因隧道的觀察，這是一種更普通的量子現(xiàn)象的特例。在量子世界中，隧道效應(yīng)允許像電子這樣的粒子穿過屏障，即使它們沒有足夠的能量實際爬過它。較高的屏障通常會使其變得更加堅硬并使更少的顆粒通過。

當(dāng)屏障變得完全透明時，就會發(fā)生Klein隧道效應(yīng)，打開一個無論屏障高度如何都可以穿過粒子的入口。來自UMD納米物理和先進材料中心(CNAM)，聯(lián)合量子研究所(JQI)和凝聚態(tài)物理理論中心(CMTC)的科學(xué)家和工程師，在UMD的材料科學(xué)與工程系和物理系任命，最有說服力的測量結(jié)果。

“克萊因隧道最初是一種相對論效應(yīng)，最初是在近一百年前預(yù)測的，”UMD材料科學(xué)與工程(MSE)教授，新研究的高級作者竹內(nèi)一郎說。“但直到最近，你才能觀察到它。”

幾乎不可能收集克萊因隧道的證據(jù)，這是最先預(yù)測的 - 高能量子粒子移動接近光速的世界。但是在過去的幾十年里，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，控制快速移動的量子粒子的一些規(guī)則也適用于在一些不尋常的材料表面附近行進的相對緩慢的粒子。

研究人員在新研究中使用的一種這樣的材料是六硼化釤(SmB6)，這種物質(zhì)在低溫下成為拓撲絕緣體。在諸如木材，橡膠或空氣的普通絕緣體中，電子被捕獲，即使施加電壓也不能移動。因此，與它們在金屬線中的自由漫游同志不同，絕緣體中的電子不能傳導(dǎo)電流。

諸如SmB6的拓撲絕緣體表現(xiàn)得像混合材料。在足夠低的溫度下，SmB6的內(nèi)部是絕緣體，但表面是金屬的，并允許電子自由移動。另外，電子移動的方向被鎖定為稱為自旋的固有量子特性，其可以向上或向下取向。例如，向右移動的電子將始終向上旋轉(zhuǎn)，向左移動的電子將使其旋轉(zhuǎn)指向下方。

然而，SmB6的金屬表面不足以發(fā)現(xiàn)克萊因隧道。事實證明，Takeuchi及其同事需要將SmB6的表面轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體 - 一種可以在沒有任何阻力的情況下傳導(dǎo)電流的材料。

為了將SmB6轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，他們在一層六硼化釔(YB6)上面放了一層薄薄的薄膜。當(dāng)整個組件冷卻到絕對零度以上幾度時，YB6變成超導(dǎo)體，并且由于其接近，SmB6的金屬表面也變成超導(dǎo)體。

UMNA物理學(xué)教授，CNAM主任，該研究論文的共同作者Johnpierre Paglione說，這是一種“偶然性”，SmB6及其釔交換的親屬共享相同的晶體結(jié)構(gòu)。“然而，我們擁有的多學(xué)科團隊是取得這一成功的關(guān)鍵之一。擁有拓撲物理學(xué)，薄膜合成，光譜學(xué)和理論理解方面的專家確實讓我們達到了這一點，”Paglione補充道。

該組合證明了觀察克萊因隧道的正確組合。通過使微小的金屬尖端與SmB6的頂部接觸，該團隊測量了從尖端到超導(dǎo)體的電子傳輸。他們觀察到一個完全加倍的電導(dǎo) - 衡量通過材料的電流如何隨著電壓的變化而變化。

“當(dāng)我們第一次觀察到倍增時，我不相信它，”竹內(nèi)說。“畢竟，這是一個不尋常的觀察，所以我讓我的博士后Seunghun Lee和研究科學(xué)家張曉航再次回去做實驗。”

當(dāng)Takeuchi和他的實驗同事確信測量結(jié)果準(zhǔn)確時，他們最初并不了解雙重電導(dǎo)的來源。所以他們開始尋找解釋。UMD的Victor Galitski，JQI研究員，物理學(xué)教授和CMTC成員，建議可能涉及Klein隧道掘進。

“起初，這只是一種預(yù)感，”加利茨基說。“但隨著時間的推移，我們越來越相信克萊因情景可能實際上是觀察的根本原因。”

MSE的副研究員兼JQI的研究科學(xué)家Valentin Stanev接受了Galitski的預(yù)感，并制定了關(guān)于如何在SmB6系統(tǒng)中出現(xiàn)Klein隧道效應(yīng)的細致理論 - 最終使預(yù)測與實驗數(shù)據(jù)相匹配。

該理論認為克萊因隧道效應(yīng)在該系統(tǒng)中表現(xiàn)為Andreev反射的完美形式，這種效應(yīng)存在于金屬和超導(dǎo)體之間的每個邊界。每當(dāng)來自金屬的電子跳到超導(dǎo)體上時，就會發(fā)生Andreev反射。在超導(dǎo)體內(nèi)部，電子被迫成對生存，所以當(dāng)電子跳躍時，電子就會撿起一個伙伴。

為了平衡跳躍之前和之后的電荷，具有相反電荷的粒子 - 科學(xué)家們稱之為洞 - 必須反射回金屬。這是Andreev反思的標(biāo)志：一個電子進入，一個洞回來了。并且由于在一個方向上移動的空穴帶有與在相反方向上移動的電子相同的電流，因此整個過程使整個電導(dǎo)率 - 通過金屬和拓撲超導(dǎo)體的連接處的Klein隧穿的標(biāo)記加倍。

在金屬和超導(dǎo)體之間的常規(guī)結(jié)中，總是存在一些不產(chǎn)生跳躍的電子。它們散開邊界，減少Andreev反射的數(shù)量并防止電導(dǎo)的精確加倍。

但是因為SmB6表面的電子的運動方向與它們的自旋有關(guān)，所以邊界附近的電子不能反彈 - 這意味著它們將一直直接進入超導(dǎo)體。

“石墨烯也見過克萊因隧道，”竹內(nèi)說。“但是在這里，因為它是一個超導(dǎo)體，我會說效果更加壯觀。你得到的確切加倍并完全消除了散射，石墨烯實驗中沒有類似的東西。”

超導(dǎo)體和其他材料之間的連接是一些提出的量子計算機體系結(jié)構(gòu)以及精密傳感設(shè)備中的成分。Takeuchi說，這些部件的禍根一直是每個連接點略有不同，需要無限的調(diào)整和校準(zhǔn)才能達到最佳性能。但隨著克萊因在SmB6中的隧穿，研究人員最終可能會解決這種不規(guī)則問題。

“在電子產(chǎn)品中，設(shè)備到設(shè)備的傳播是頭號敵人，”Takeuchi說。“這是一種擺脫變異的現(xiàn)象。”