马里兰大学的研究人员已经获得了迄今为止最直接的证据，即量子怪癖可以使粒子穿过障碍物，就像它甚至不存在一样。结果发表在2019年6月20日的“ 自然 ”杂志的封面上，可以使工程师为未来的量子计算机，量子传感器和其他设备设计更加统一的组件。
新实验是对克莱因隧道的观察，这是一种更普通的量子现象的特例。在量子世界中，隧道效应允许像电子这样的粒子穿过屏障，即使它们没有足够的能量实际爬过它。较高的屏障通常会使其变得更加坚硬并使更少的颗粒通过。
当屏障变得完全透明时，就会发生Klein隧道效应，打开一个无论屏障高度如何都可以穿过粒子的入口。来自UMD纳米物理和先进材料中心(CNAM)，联合量子研究所(JQI)和凝聚态物理理论中心(CMTC)的科学家和工程师，在UMD的材料科学与工程系和物理系任命，最有说服力的测量结果。
“克莱因隧道最初是一种相对论效应，最初是在近一百年前预测的，”UMD材料科学与工程(MSE)教授，新研究的高级作者竹内一郎说。“但直到最近，你才能观察到它。”
几乎不可能收集克莱因隧道的证据，这是最先预测的 - 高能量子粒子移动接近光速的世界。但是在过去的几十年里，科学家们已经发现，控制快速移动的量子粒子的一些规则也适用于在一些不寻常的材料表面附近行进的相对缓慢的粒子。
研究人员在新研究中使用的一种这样的材料是六硼化钐(SmB6)，这种物质在低温下成为拓扑绝缘体。在诸如木材，橡胶或空气的普通绝缘体中，电子被捕获，即使施加电压也不能移动。因此，与它们在金属线中的自由漫游同志不同，绝缘体中的电子不能传导电流。
诸如SmB6的拓扑绝缘体表现得像混合材料。在足够低的温度下，SmB6的内部是绝缘体，但表面是金属的，并允许电子自由移动。另外，电子移动的方向被锁定为称为自旋的固有量子特性，其可以向上或向下取向。例如，向右移动的电子将始终向上旋转，向左移动的电子将使其旋转指向下方。
然而，SmB6的金属表面不足以发现克莱因隧道。事实证明，Takeuchi及其同事需要将SmB6的表面转变为超导体 - 一种可以在没有任何阻力的情况下传导电流的材料。
为了将SmB6转变为超导体，他们在一层六硼化钇(YB6)上面放了一层薄薄的薄膜。当整个组件冷却到绝对零度以上几度时，YB6变成超导体，并且由于其接近，SmB6的金属表面也变成超导体。
UMNA物理学教授，CNAM主任，该研究论文的共同作者Johnpierre Paglione说，这是一种“偶然性”，SmB6及其钇交换的亲属共享相同的晶体结构。“然而，我们拥有的多学科团队是取得这一成功的关键之一。拥有拓扑物理学，薄膜合成，光谱学和理论理解方面的专家确实让我们达到了这一点，”Paglione补充道。
该组合证明了观察克莱因隧道的正确组合。通过使微小的金属尖端与SmB6的顶部接触，该团队测量了从尖端到超导体的电子传输。他们观察到一个完全加倍的电导 - 衡量通过材料的电流如何随着电压的变化而变化。
“当我们第一次观察到倍增时，我不相信它，”竹内说。“毕竟，这是一个不寻常的观察，所以我让我的博士后Seunghun Lee和研究科学家张晓航再次回去做实验。”
当Takeuchi和他的实验同事确信测量结果准确时，他们最初并不了解双重电导的来源。所以他们开始寻找解释。UMD的Victor Galitski，JQI研究员，物理学教授和CMTC成员，建议可能涉及Klein隧道掘进。
“起初，这只是一种预感，”加利茨基说。“但随着时间的推移，我们越来越相信克莱因情景可能实际上是观察的根本原因。”
MSE的副研究员兼JQI的研究科学家Valentin Stanev接受了Galitski的预感，并制定了关于如何在SmB6系统中出现Klein隧道效应的细致理论 - 最终使预测与实验数据相匹配。
该理论认为克莱因隧道效应在该系统中表现为Andreev反射的完美形式，这种效应存在于金属和超导体之间的每个边界。每当来自金属的电子跳到超导体上时，就会发生Andreev反射。在超导体内部，电子被迫成对生存，所以当电子跳跃时，电子就会捡起一个伙伴。
为了平衡跳跃之前和之后的电荷，具有相反电荷的粒子 - 科学家们称之为洞 - 必须反射回金属。这是Andreev反思的标志：一个电子进入，一个洞回来了。并且由于在一个方向上移动的空穴带有与在相反方向上移动的电子相同的电流，因此整个过程使整个电导率 - 通过金属和拓扑超导体的连接处的Klein隧穿的标记加倍。
在金属和超导体之间的常规结中，总是存在一些不产生跳跃的电子。它们散开边界，减少Andreev反射的数量并防止电导的精确加倍。
但是因为SmB6表面的电子的运动方向与它们的自旋有关，所以边界附近的电子不能反弹 - 这意味着它们将一直直接进入超导体。
“石墨烯也见过克莱因隧道，”竹内说。“但是在这里，因为它是一个超导体，我会说效果更加壮观。你得到的确切加倍并完全消除了散射，石墨烯实验中没有类似的东西。”
超导体和其他材料之间的连接是一些提出的量子计算机体系结构以及精密传感设备中的成分。Takeuchi说，这些部件的祸根一直是每个连接点略有不同，需要无限的调整和校准才能达到最佳性能。但随着克莱因在SmB6中的隧穿，研究人员最终可能会解决这种不规则问题。
“在电子产品中，设备到设备的传播是头号敌人，”Takeuchi说。“这是一种摆脱变异的现象。”