Представьте, что вы идете и сталкиваетесь с препятствием, таким как холм или стена. Единственный способ перебраться на другую сторону — это подняться наверх или перелезть через него. Но что, если бы у вас были те же сверхспособности, что и у квантовых частиц?

Необычные для нас законы квантовой механики позволяют частицам иногда проходить сквозь потенциальные барьеры — области пространства, для обычного преодоления которых частицам нужна энергия больше, чем они имеют. Но сложность туннелирования через эти барьеры возрастает по мере того, как они становятся выше, в результате чего их может преодолеть меньшего количества частиц. Однако частный случай туннельного эффекта, называемый парадоксом Клейна, меняет правила игры. При определенных характеристиках барьера (его высота больше удвоенной энергии покоя частицы, а ширина меньше длины волны частицы) вероятность прохождения частицы через него... стремится к 100%, независимо от того, насколько он высокий.

График потенциальной энергии
Схематичное изображение потенциального барьера: для частиц с энергией E1 это область BNC, для частиц с энергией E2 — область левее D.

Почти 100 лет назад шведский физик Оскар Кляйн впервые предсказал это явление. Тем не менее, до недавнего времени ученые видели лишь очень ограниченные его признаки. В исследовании, опубликованном в журнале Nature 19 июня, междисциплинарная группа исследователей представила прямые доказательства существования туннелирования Клейна.

Случайное открытие

Это исследование не является первым, в котором непосредственно наблюдался этот эффект. «Туннелирование Клейна было довольно хорошо продемонстрировано в графене — материале на углеродной основе», — говорит Дэвид Голдхабер-Гордон, физик из Стэнфордского университета, который не участвовал в исследовании. 

Но новая работа необычна еще и тем, что ученые не намеревались в ней наблюдать это явление в действии. «Это открытие стало результатом нашего исследования топологических изоляторов», — говорит Джонпьер Паглионе, физик из Университета Мэриленда и соавтор исследования. Топологические изоляторы — необычные материалы, которые внутри объема являются диэлектриками (изоляторами), а их поверхность при этом проводит электрический ток.


Один из видов топологических изоляторов.

В течение последних нескольких лет он и его коллеги изучали материал под названием гексаборид самария и пытались показать, что он является топологическим изолятором. Они искали признаки того, что гексаборид самария демонстрирует квантовое поведение — важный аспект доказательства того, что материал действительно является топологическим изолятором.

Идеальная проводимость

Исследователи поместили тонкую пленку гексаборида самария поверх другого соединения, которое при низких температурах становится сверхпроводником — материалом, который имеет нулевое электрическое сопротивление. Когда они охладили такой «бутерброд» до нескольких градусов выше абсолютного нуля (-273,15 градусов по Цельсию), второй материал стал сверхпроводником, и гексаборид самария покрыл его металлической пленкой. Затем ученые касались крошечным металлическим щупом поверхности гексаборида самария и изучали, как электроны попадают в сверхпроводник.

На границе между металлом и сверхпроводником возникает особый тип отражения, называемый андреевским отражением, который связан с тем фактом, что электроны в сверхпроводниках существуют только парами. В результате, если электрон пересекает границу металла и переходит в сверхпроводник, он должен взять с собой «приятеля». Однако, поскольку заряды в системе должны быть уравновешены, положительно заряженная дырка — по сути, отсутствие электрона там, где он должен быть — должна «перепрыгнуть» обратно из сверхпроводника в металл.


Андреевское отражение.

Исследователи изучают движение электронов и дырок, измеряя электропроводность системы. Если бы каждый электрон, который попытался перепрыгнуть в сверхпроводник, преуспел, то электропроводность удвоилась бы. Однако этого обычно не происходит, потому что в большинстве случаев некоторым электронам не хватает энергии, чтобы совершить прыжок. Менее энергичные электроны отражаются от границы между металлом и сверхпроводником, так что общая электропроводность системы возрастает меньше, чем вдвое.

К удивлению исследователей, в их эксперименте с гексаборидом самария они измерили идеально удвоенную электропроводность. Команда исследователей подошла к Виктору Галицкому, физику-теоретику из Университета Мэриленда, с этими странными результатами, которые выдержали повторные испытания. Он предположил, что туннелирование Клейна позволило всем электронам прорваться через физическую границу между двумя материалами.

«Эти захватывающие результаты экспериментально демонстрируют идеальное андреевское отражение между точечным контактом — крошечным металлическим щупом — и сверхпроводником, индуцированное близостью сверхпроводника с топологическим изолятором, гексаборидом самария», — говорит Борис Надгорный, физик из Уэйнского государственного университета в Детройте. «Исследование связывает эти неожиданные и изящные результаты с отсутствием нормального рассеяния [электронов], что является одним из ключевых проявлений туннелирования Клейна», — добавляет он.

Теперь, когда исследователи продемонстрировали эту квантовую причуду, они надеются использовать свои результаты для улучшения обычных компьютерных компонентов или даже для создания материалов для квантовых устройств будущего, говорит Паглионе. Например, одной из проблем, препятствующих дальнейшему уменьшению размеров транзисторов в кремниевых кристаллах, как раз является спонтанное туннелирование электронов, из-за чего результаты вычислений процессоров могут оказаться неверными.

Теперь же есть возможность создать «совершенный транзистор», для которого эффект туннелирования точно известен и может быть просчитан, что позволит еще сильнее уменьшить техпроцесс. Но все же стоит понимать, что путь от эксперимента до рабочей технологии достаточно долог и сложен, поэтому не стоит ожидать новые транзисторы ближайшие несколько лет.