固体所在共振隧穿及超高精度测量研究方面取得重要进展

近日，中国科学院合肥物质院固体所能源材料与器件制造研究部杨勇研究员在微观粒子的双势垒共振隧穿及基于此开展超高精度测量研究方面取得重要进展。相关研究成果发表在美国物理学会期刊Physical Review Research (Phys. Rev. Research 6, 013087 (2024))。      在经典物理的世界里，一个物体不能跨越比其自身能量高的能量壁垒（即势垒）。在量子物理的世界里，一个粒子则能以一定概率穿越比其自身能量高的势垒。这种现象通常称之为量子隧穿效应。

现代物理的一个基本问题是，人们生活的三维空间（实空间）是连续的吗？换句话说，实空间是无限可分的么？在宏观经典的世界里，基于日常生活经验给出的答案无疑是肯定的：江河的流水，奔跑的动物，空中的飞鸟，以及自由下落的物体，无一例外的给予人们连续轨迹的印象。在经典力学中，用连续的坐标来描写物体的运动被认为是理所当然的。

在量子世界里面，情况则会发生戏剧性的变化。例如，当一个粒子的运动受到限制的时候，它的稳定态的能量只能取一些的离散值。在当代物理学的前沿研究中，一些尝试统一量子力学和描述引力的广义相对论的理论预测了一个最小长度的存在，通常取为普朗克尺度(lP)，这个长度大约是1.6×10-35米。然而，这个长度的实验检验是极具挑战性的，因为它远小于当前最精密的距离变化测量仪器 —— 发现引力波的激光干涉引力波天文台 (LIGO) 能测量的最小长度 (大约是10-19米)。

该工作中，杨勇研究员系统的研究了任意形状的双势垒体系的量子隧穿现象并证明了一个定理。这个定理表明，如果两个势垒之间的间距可以连续变化，即实空间是连续的，则只要适当调节势垒间距，入射粒子不论能量多小均可以完全穿透双势垒体系。这种现象通常被称为共振隧穿。反之，如果实空间是不连续的，即存在一个非零的最小尺度（如普朗克长度），则当势垒的尺寸或者粒子质量超过某个上限值的时候，共振隧穿现象就不再发生。更进一步，杨勇研究员深入分析了测不准原理带来的影响，提出了一系列可能的用作检验理论方案的实际体系。该研究揭示了量子隧穿现象和量子引力理论这两个看起来毫不相关的物理分支，可以通过最小空间尺度建立起深刻的联系。这不仅彰显了微观粒子波函数相位的重要性，而且发展了基于双势垒的共振隧穿开展超高精度测量这一新领域，开辟了可能的检验最小空间尺度存在性的新途径。

上述研究获得了国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.6.013087

图1. (a) 双势垒之间的量子干涉及隧穿现象；(b) 通过改变势垒间距调控共振能级；(c) 给定能量下的量子隧穿概率随势垒间距的分布。

图2. （a）微观粒子被单势垒几乎完全反射；（b）满足给定势垒间距的条件下，同样的微观粒子在双势垒之间发生共振隧穿。其中，势垒变化步长不小于普朗克长度lP。