7月17日消息，美国一个研究团队在拓扑绝缘体的研究中偶然发现了可以证明克莱恩隧穿（Klein tunneling）的直接证据。克莱恩隧穿是1929年瑞典物理学家Oskar Klein在研究势垒中的电子散射问题时首先预测到的，在非相对论量子隧道理论中，低能粒子穿透高能势垒的几率永远不会是100%，而克莱恩隧穿中则认为相对论粒子可以很轻易地穿越又高又宽的势垒，成功率高达100%。

这个团队在六硼化钐实验中，利用完美的双重电导现象，间接证明了克莱因隧穿的存在。这一证明将进一步推进量子计算机的研发与设计。

▲在Klein隧穿中，带负电荷的电子（颜色鲜艳的球体）可以完美地穿过一个屏障。

科学美国人（scientificamerican）的这篇报道为我们揭示了克莱恩隧穿直接证据被发现的全过程，并通过其自身允许粒子轻松穿越障碍的特性，为我们分析了这项发现对未来量子计算发展的重要作用。

想象你正在行走，遇到一个障碍，比如一座小山或一堵墙。唯一能到达另一边的方法就是爬到上面再爬过去。但是，如果你有和量子粒子一样的超能力呢？

量子力学的特殊定律允许粒子有时就像没有遇到阻碍一样突破障碍，即使粒子不能爬过路径上的任何东西。但是，随着路障越来越高，穿越这些障碍物的挑战也越来越大，这使得通过这些障碍物的粒子越来越少。然而，一个叫做克莱恩隧穿的量子隧穿改变了游戏。即使当极高的障碍挡住去路的时候，它也能有效地使屏障透明从而打开允许粒子通过的入口。

近100年前，瑞典物理学家Oskar Klein首次预言了这一现象。然而直到最近，科学家们还只发现了非常有限的迹象。在6月19日发表在《自然》杂志上的一项研究中，一个跨学科的研究小组提出了克莱恩隧穿的直接证据。

    一、来源于拓扑绝缘体研究的偶然发现  

该研究并不是第一个直接观察到这种效应的研究。斯坦福大学的物理学家David Goldhaber-Gordon没有参与这项研究，他说：“克莱因隧穿已经在石墨烯中得到了很好的证明。”

“在那次发现之前，人们并没有真正考虑过寻找克莱因隧穿的实验证据并将其公之于众，”马里兰大学帕克分校的材料科学家和工程师、这项新研究的作者Ichiro Takeuchi说道。

然而，底特律韦恩州立大学的物理学家Boris Nadgorny表示：“与石墨烯研究相比，目前的研究结果更直接。”他说，研究人员还使用了一种“精心设计的实验装置”。

荷兰代尔夫特理工大学卡夫利纳米科学研究所的量子纳米科学家Teun Klapwijk说：“我会把这称之为突破，因为这是一种理论上可能会发生的现象，但是必须要有一个可以令人信服地显示这种现象的实验系统。”“这个特殊实验是独立实验探索和思考的明显案例。”

更令人震惊的是，研究人员在实际中并没有着手去观察这种现象。“这个项目源于我们对拓扑绝缘体的研究，”马里兰大学的物理学家、该研究的合著者Johnpierre Paglione说。拓扑绝缘体是一种内部绝缘但表面导电的特殊材料。

在过去的几年里，他和他的同事研究了一种名为六硼化钐（samarium hexaboride）的材料，并努力证明它是一种拓扑绝缘体。他们正在寻找六硼化钐表现出量子行为的迹象，这是证明材料确实是拓扑绝缘体的一个重要方面。

    二、完美双重电导，粒子轻松穿越壁障  

研究人员将六硼化钐薄膜放在另一种化合物的顶部，这种化合物在低温下会变成超导体（可无电阻导电的材料）。当他们把所有东西冷却到略高于绝对零度几度（–273.15摄氏度）时，第二种材料就变成了超导体，通过它们的近距离接触，六硼化钐的金属表面也变成了超导体。然后，科学家们将一个微小的金属尖端接触到六硼化钐的表面，研究电子是如何进入第二种物质的。

在金属和超导体之间的每一个边界处，都会发生一种称为安德列夫反射（Andreev reflection）的特殊类型反射，这是由于超导体中的电子只成对存在。就像三条腿竞赛中的两个人一样，当一个电子从金属跳到超导体时，它必须带上一个“伙伴”。因为电荷必须在系统中保持平衡，所以如果超导体中的一个电子缺少正电荷，那么就应该有另一个带负电荷的电子从超导体跳回到金属。

研究人员通过测量系统的电导来解释这一现象。如果每一个试图跃迁到超导体中的电子都成功的话，电导就会加倍。然而，这通常不会发生，因为在大多数情况下，一些电子没有足够的能量来进行跳跃。能量较低的电子从金属和超导体之间的边界反射出去，使系统的电导超过100%，但不到两倍。

令研究人员震惊的是，六硼化钐实验中发生了完美的双重电导。研究小组带着这些在反复试验中得到了证实的异常结果，找到了马里兰大学的理论物理学家Victor Galitski，他认为克莱恩隧穿允许所有的电子穿过两种材料之间的物理界面。另一个与电子自旋有关的守恒定律可以阻止那些没有能量跳过壁垒的电子返回它们来的地方，因此它们“必须穿过隧穿”才能导致电导完全加倍。

“这些激动人心的结果通过实验证明了正常点接触之间的完美安德列夫反射”，这种接触是在微小的金属尖端和拓扑绝缘体中的邻近诱导超导体六硼化钐之间进行的，Boris Nadgorny说。“这项研究将这些意想不到的结果与缺乏正常电子散射联系起来，这是克莱因隧穿的关键表现之一，”他补充道。

Johnpierre Paglione说，既然研究人员已经证明了这一量子特性，他们希望利用他们的发现改进传统的计算机部件，甚至为未来的量子器件创造材料。他说，利用电子的隧穿能力可以帮助设计“完美的晶体管”，甚至可以解决量子计算机中节点的问题。然而，Teun Klapwijk警告说，“通往应用程序的路径比它经常出现的要复杂得多”。

量子计算在近几年不断蹿红，并和增强现实技术与人工智能技术并列为当今世界三大最重要的技术。美国研究团队发现的克莱恩隧穿的直接证据，证明了粒子可以轻松穿越障碍这一量子特性，这对于量子计算的发展有着重要的作用。这一发现虽然具有突破性，但是如何促进量子计算进一步的发展，如何突破目前量子计算的壁障还是需要全世界科学界不断研究的问题。