Forskare vid University of Maryland har fångat de mest direkta bevisen hittills om en kvantkänsla som gör att partiklar kan tunnla genom en barriär som om de inte ens finns där. Resultatet, med på omslaget till den 20 juni, 2019 års nummer av tidningen Natur , kan göra det möjligt för ingenjörer att designa mer enhetliga komponenter för framtida kvantdatorer, kvantsensorer och andra enheter.

Det nya experimentet är en observation av Klein tunnling, ett specialfall av ett mer vanligt kvantfenomen. I kvantvärlden, tunneling gör att partiklar som elektroner kan passera genom en barriär även om de inte har tillräckligt med energi för att faktiskt klättra över den. En högre barriär gör det vanligtvis svårare och släpper igenom färre partiklar.

Klein tunneling sker när barriären blir helt transparent, öppna en portal som partiklar kan passera oavsett barriärens höjd. Forskare och ingenjörer från UMD:s Center for Nanophysics and Advanced Materials (CNAM), Joint Quantum Institute (JQI) och Condensed Matter Theory Center (CMTC), med utnämningar vid UMD:s institution för materialvetenskap och teknik och fysiska institutionen, har gjort de mest övertygande mätningarna hittills av effekten.

"Klein tunneling var ursprungligen en relativistisk effekt, förutspåddes för nästan hundra år sedan, " säger Ichiro Takeuchi, en professor i materialvetenskap och teknik (MSE) vid UMD och seniorförfattaren till den nya studien. "Tills nyligen, fastän, du kunde inte observera det."

Det var nästan omöjligt att samla bevis för Klein-tunnling där det först förutspåddes - världen av högenergikvantpartiklar som rörde sig nära ljusets hastighet. Men under de senaste decennierna, forskare har upptäckt att några av reglerna för kvantpartiklar som rör sig snabbt även gäller de jämförelsevis tröga partiklar som rör sig nära ytan av vissa ovanliga material.

Ett sådant material - som forskare använde i den nya studien - är samariumhexaborid (SmB6), ett ämne som blir en topologisk isolator vid låga temperaturer. I en vanlig isolator som trä, gummi eller luft, elektroner är instängda, kan inte röra sig även när spänning är pålagd. Således, till skillnad från sina frigående kamrater i en metalltråd, elektroner i en isolator kan inte leda en ström.

Topologiska isolatorer som SmB6 beter sig som hybridmaterial. Vid tillräckligt låga temperaturer, insidan av SmB6 är en isolator, men ytan är metallisk och tillåter elektroner viss frihet att röra sig. Dessutom, riktningen som elektronerna rör sig blir låst till en inneboende kvantegenskap som kallas spinn som kan orienteras uppåt eller nedåt. Elektroner som rör sig till höger kommer alltid att snurra uppåt, till exempel, och elektroner som rör sig åt vänster kommer att snurra nedåt.

Den metalliska ytan på SmB6 hade inte varit tillräckligt för att upptäcka Klein -tunnlar, fastän. Det visade sig att Takeuchi och kollegor behövde omvandla ytan på SmB6 till en supraledare — ett material som kan leda elektrisk ström utan motstånd.

För att göra SmB6 till en superledare, de lägger en tunn film av det ovanpå ett lager av yttriumhexaborid (YB6). När hela aggregatet kyldes till bara några grader över absolut noll, YB6 blev en superledare och på grund av dess närhet, metallytan på SmB6 blev en superledare, för.

Det var en "bit av serendipitet" som SmB6 och dess yttriumbytta släkting delade samma kristallstruktur, säger Johnpierre Paglione, professor i fysik vid UMD, direktören för CNAM och en medförfattare till forskningsrapporten. "Dock, det tvärvetenskapliga teamet vi har var en av nycklarna till denna framgång. Att ha experter på topologisk fysik, tunnfilmssyntes, spektroskopi och teoretisk förståelse fick oss verkligen till denna punkt, "Tillägger Paglione.

Kombinationen visade sig vara rätt blandning för att observera Klein tunneling. Genom att ta en liten metallspets i kontakt med toppen av SmB6, laget mätte transporter av elektroner från spetsen in i superledaren. De observerade en perfekt fördubblad konduktans - ett mått på hur strömmen genom ett material förändras när spänningen över det varieras.

"När vi först såg fördubblingen, Jag trodde inte det, " säger Takeuchi. "Trotts allt, det är en ovanlig observation, så jag bad min postdoc Seunghun Lee och forskaren Xiaohang Zhang att gå tillbaka och göra experimentet igen. "

När Takeuchi och hans experimentella kollegor övertygade sig själva om att mätningarna var korrekta, de förstod från början inte källan till den fördubblade konduktansen. Så de började leta efter en förklaring. UMD:s Victor Galitski, en JQI -stipendiat, en professor i fysik och en medlem av CMTC, föreslog att Klein tunneling kan vara inblandad.

"I början, det var bara en aning, " säger Galitski. "Men med tiden blev vi mer övertygade om att Klein-scenariot faktiskt kan vara den underliggande orsaken till observationerna."

Valentin Stanev, en biträdande forskare i MSE och en forskare vid JQI, tog Galitskis gissning och utarbetade en noggrann teori om hur Klein-tunnling kunde uppstå i SmB6-systemet – och gjorde i slutändan förutsägelser som matchade experimentdata väl.

Teorin föreslog att Klein tunneling manifesterar sig i detta system som en perfekt form av Andreev -reflektion, en effekt som finns vid varje gräns mellan en metall och en supraledare. Andreev -reflektion kan uppstå när en elektron från metallen hoppar på en superledare. Inuti supraledaren, elektroner tvingas leva i par, så när en elektron hoppar på, den plockar upp en kompis.

För att balansera den elektriska laddningen före och efter hoppet, en partikel med motsatt laddning – som forskare kallar ett hål – måste reflekteras tillbaka in i metallen. Detta är kännetecknet för Andreev -reflektion:en elektron går in, ett hål kommer ut igen. Och eftersom ett hål som rör sig i en riktning bär samma ström som en elektron som rör sig i motsatt riktning, hela denna process fördubblar den övergripande konduktansen - signaturen av Klein -tunneln genom en korsning av en metall och en topologisk superledare.

I konventionella korsningar mellan en metall och en superledare, det finns alltid några elektroner som inte gör hoppet. De sprider sig utanför gränsen, minska mängden Andreev -reflektion och förhindra en exakt fördubbling av konduktansen.

Men eftersom elektronerna i ytan av SmB6 har sin rörelseriktning knuten till sin spin, elektroner nära gränsen kan inte studsa tillbaka - vilket betyder att de alltid kommer att passera rakt in i supraledaren.

"Klein tunnling hade också setts i grafen, "Takeuchi säger." Men här, eftersom det är en supraledare, Jag skulle säga att effekten är mer spektakulär. Du får denna exakta fördubbling och en fullständig annullering av spridningen, och det finns ingen analog av det i grafenexperimentet. "

Kopplingar mellan supraledare och andra material är ingredienser i vissa föreslagna kvantdatorarkitekturer, liksom i precisionsavkänningsanordningar. Nackdelen med dessa komponenter har alltid varit att varje korsning är något annorlunda, Takeuchi säger, kräver oändlig inställning och kalibrering för att uppnå bästa prestanda. Men med Klein -tunnel i SmB6, forskare kanske äntligen har ett motgift mot den oegentligheten.

"Inom elektronik, spridning mellan enheter är fienden nummer ett, " säger Takeuchi. "Här är ett fenomen som tar bort variationen."

Forskningsrapporten, "Perfekt Andreev-reflektion på grund av Klein-paradoxen i ett topologiskt supraledande tillstånd, "Seunghun Lee, Valentin Stanev, Xiaohang Zhang, Drew Stasak, Jack Flowers, Joshua S. Higgins, Sheng Dai, Thomas Blum, Xiaoqing Pan, Victor M. Yakovenko, Johnpierre Paglione, Richard L. Greene, Victor Galitski, och Ichiro Takeuchi, publicerades i tidningen Natur den 20 juni, 2019.