想象一下，你正在行走，遇到一个障碍，比如一座小山或一面墙。到达另一边的唯一方法是爬到山顶然后翻过去。但是，如果你拥有与量子粒子相同的超能力呢？
奇怪的量子力学定律允许粒子有时像没有障碍物一样穿过障碍物，即使粒子无法爬过它们路径上的任何东西。但是，随着障碍物的增高，穿过这些障碍的挑战也会增加，从而导致更少的粒子能够突破。然而，一种称为克莱因隧穿的特殊量子隧穿情况改变了游戏规则。它有效地使屏障变得透明，打开了允许粒子通过的门户，即使非常高的墙壁挡在它们的路上。
近 100 年前，瑞典物理学家奥斯卡·克莱因首次预测了这种现象。然而直到最近，科学家们才看到非常有限的迹象。在 6 月 19 日发表在《自然》杂志上的一项研究中，一个跨学科研究团队展示了克莱因隧穿的直接证据。
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意外发现
这项研究并不是第一个直接观察到这种效应的研究。“克莱因隧穿在石墨烯这种碳基材料中已经得到了很好的证明，”斯坦福大学的物理学家大卫·戈德哈伯-戈登说，他没有参与这项研究。在此发现之前，“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“搁置了起来”，马里兰大学帕克分校的材料科学家和工程师、这项新研究的资深作者市川竹内说。“然而，目前这项工作的结果比在石墨烯研究中发现的结果更直接，”底特律韦恩州立大学的物理学家鲍里斯·纳德戈尔尼说，他没有参与这项研究。他说，研究人员还使用了“巧妙设计的实验装置”。
“我会称之为突破性的进展，”荷兰代尔夫特理工大学卡弗里纳米科学研究所的量子纳米科学家特恩·克拉普韦克说，他没有参与这项研究，“因为这是一种人们可能会在纸上期望发生的现象……但人们必须找到一个令人信服地展示这种现象的实验系统。”他补充说，这个特别的实验之所以脱颖而出，是因为它是“一个清晰的独立实验探索和思考的案例”。
这项发现或许更令人震惊，因为研究人员并非着手观察这种现象的发生。“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、该研究的合著者约翰皮埃尔·帕格利奥内说。拓扑绝缘体是具有绝缘内部但具有导电表面的奇异材料。
在过去的几年里，他和他的同事们一直在研究一种名为六硼化钐的材料，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，这是证明一种材料确实是拓扑绝缘体的重要方面。
完美的电导
研究人员将一层薄薄的六硼化钐薄膜放置在另一种化合物之上，该化合物在低温下会变成超导体——一种可以无电阻导电的材料。当他们将所有东西冷却到仅高于绝对零度（-273.15摄氏度）几度时，第二种材料变成了超导体，并且由于它们非常接近，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触碰六硼化钐的表面，并研究电子如何进入第二种材料。
在金属和超导体之间的每个边界处，都会发生一种称为安德列夫反射的特殊反射，这源于超导体中的电子仅成对存在的事实。就像三条腿赛跑中的两个人一样，当一个电子从金属跳到超导体时，它必须带上一个“伙伴”。然而，由于系统中的电荷必须平衡，一个带正电的“空穴”——本质上是一个本应有电子的地方缺少电子——必须从超导体跳回金属。
研究人员通过测量系统的电导来解释电子和“空穴”的运动。如果每个试图跳入超导体的电子都成功了，则电导将加倍。然而，这种情况通常不会发生，因为在大多数情况下，一些电子没有足够的能量进行跳跃。能量较低的电子会在金属和超导体之间的边界处反射，使得系统的电导大于 100%，但小于加倍。
令研究人员震惊的是，在他们的六硼化钐实验中发生了完美加倍的电导。该团队向马里兰大学的理论物理学家维克多·加利茨基提出了奇怪的结果，这些结果在重复试验中得到了证实。他认为，克莱因隧穿允许所有电子穿过两种材料之间的物理界面。与电子自旋相关的另一条守恒定律阻止了那些缺乏能量跳过障碍的电子简单地回到它们来的地方，因此它们“必须隧穿过去，”他说，从而导致完美加倍的电导。
纳德戈尔尼说，“这些激动人心的结果通过实验证明了在拓扑绝缘体六硼化钐中的正常点接触（微小的金属尖端）和邻近感应超导体之间存在完美的安德列夫反射。”他补充说，“这项研究将这些意想不到且优雅的结果与正常[电子]散射的缺失联系起来，这是克莱因隧穿的关键表现之一。”
帕格利奥内说，既然研究人员已经证明了这种量子怪癖，他们希望利用他们的发现来改进传统的计算机组件，甚至为未来的量子设备创造材料。他说，利用电子的隧穿能力可以帮助设计“完美的晶体管”，甚至解决量子计算机中连接的问题。然而，克拉普韦克警告说，“实现应用的途径比通常看起来的要复杂得多”。