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穿墙而过不是梦!——神奇的量子隧道效应

【美洲华联社讯】波粒二象性使微观粒子表现出许多在宏观世界里看起来不可思议的现象,隧道效应就是其中之一。崂山道士的故事被我们当作笑话来看,但是,在量子世界里,因为有隧道效应,穿墙而过不再是什么难事,很容易就能做到。借助隧道效应,人们发明了扫描隧道显微镜,不但“看见”了一个个原子,而且实现了移动、操控原子的梦想。

10.1 隧道效应:穿墙而过不是梦

在讲隧道效应之前,我们先来看一个小实验。如图10-1所示,假设有一条像山坡一样高低起伏的滑道,滑道上有一个小球,二者之间没有任何摩擦力。如果我们让小球从A点出发滑落,而且出发时速度为零,那么小球最高能到达哪一点呢?

这太简单了,根据能量守恒定律,我们知道小球的势能会转化成动能,然后动能再转化成势能,最后会到达高度与A点相同的B点,如此往复运动。

如果我问你,这个小球会出现在D点吗?你一定会说,绝对不可能,因为C点是一座无法翻越的大山。或者说,C点是一个能量很高的势垒,小球没有足够的能量来翻越它。

对于经典粒子来说,的确是这样的。但是,如果这条滑道缩小到原子尺度,而小球是一个电子的话,上述结论就不成立了。量子力学计算表明,从A 点出发的电子有明显地出现在D 点的概率,就像是从一条隧道中穿越过去的一样,这就是量子隧道效应,它是微观粒子波粒二象性的体现。

总结一下,如果微观粒子遇到一个能量势垒,即使粒子的能量小于势垒高度,它也有一定的概率穿越势垒,这种现象就叫隧道效应。隧道效应又称势垒贯穿,是一种很常见的量子效应。也就是说,崂山道士的故事在量子世界里是很平常的,一点都不稀奇。

当然,对于不同的情况,粒子在势垒外出现的概率大小是需要通过薛定谔方程仔细计算的。在一般情况下,只有当势垒宽度与微观粒子的德布罗意波长可比拟时,势垒贯穿的现象才能被显著观察到。如果势垒太高或太宽,隧穿的可能性就会变得很小。

用量子隧道效应能部分地解释放射性元素的α 衰变现象。α 衰变是从原子核中发射出α 粒子(氦原子核)的一种放射性现象。原子核对它最终要发射的α 粒子来说,就好比一道屏障,而α 粒子就被围在其中。

然而,原子核内的α 粒子在隧道效应的作用下有一定的概率隧穿原子核屏障而逃逸,这就表现为放射性。比如对于铀-238,其原子核的势垒高达35MeV,而释放出的α 粒子能量只有4.2 MeV,如果把它比作一个人的话,他只能跳4.2m 高,但是却跳过了35m 高的墙。

黑洞的边界是一个物质(包括光在内)只能进不能出的“单向壁”,这单向壁对黑洞内的物质来说就是一个绝高的势垒。但是霍金(S. W. Hawking)认为黑洞并不是绝对黑的,黑洞内部的物质能通过隧道效应而逸出,但这种过程很慢很慢。不过据估计有一些产生于宇宙大爆炸初期的微型黑洞到现在已经蒸发完了。

在两块超导体之间夹一个绝缘层,电子能否从绝缘层穿越呢?按经典理论,电子是不能通过绝缘层的。但是1962 年,英国物理学家约瑟夫森(B. D. Josephson)从理论上研究并作出预言,只要绝缘层足够薄,超导体内的电子就可以通过绝缘层而形成电流,因为电子可以通过隧道效应穿过绝缘层。这种装置被称为约瑟夫森结。1963 年,实验证明了约瑟夫森预言的正确性,他也由于这一贡献获得了1973 年的诺贝尔物理学奖。

10.2 扫描隧道显微镜

随着科学技术的发展,隧道效应不仅仅用于解释物理现象,它的应用已经渗透到科学的各个领域乃至我们的日常生活之中,并以此为基础诞生了形形色色的隧穿器件和装置。扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)就是一个典型的例子。它是由IBM 苏黎世实验室的宾宁(G.Binnig)及罗雷尔(H.Rohrer)于1981 年发明的。

扫描隧道显微镜是利用隧道效应工作的。以一个非常尖锐的金属(如钨)探针(针尖顶端只有几个原子大小)为一电极,被测样品为另一电极,在它们之间加上高压。当它们之间的距离小到1nm 左右时,就会出现隧道效应,电子从一个电极穿过表面空间势垒到达另一电极形成电流。隧道电流与两电极间的距离成指数关系,对距离的变化非常敏感。用宾宁和罗雷尔的话说:“距离的变化即使只有一个原子直径,也会引起隧道电流变化1000倍。”

因此,当针尖在被测样品表面上方做平面扫描时,即使表面仅有原子尺度的起伏,也会导致隧道电流非常显著的、甚至接近数量级的变化。这样就可以通过测量电流的变化来反映表面上原子尺度的起伏,从而得到样品表面形貌,如图10-2 (a) 所示。

还有一种测量方法,通过电子反馈电路控制隧道电流在扫描过程中保持恒定,那么为了维持恒定的隧道电流,针尖将随表面的起伏而上下移动,于是记录针尖上下运动的轨迹即可给出表面形貌,如图10-2 (b)所示。

打个比方来说,如果透射电子显微镜是用眼睛看物体表面的话,那么扫描隧道显微镜就是用手在摸物体表面,从而感知到表面的凸凹不平。

扫描隧道显微镜的放大倍数可高达一亿倍,分辨率达0.01nm,使人类第一次“看见”了单个原子,是世界重大科技成就之一。两位发明者也因此获得了1986 年的诺贝尔物理学奖。图10-3 给出了用STM 测得的Cu 表面图像。

按人的意志来排列一个个原子,曾经是人们遥不可及的梦想,而现在,这已成为现实。STM 不但可以用来观察材料表面的原子排列,而且能用来移动原子。可以用它的针尖吸住一个孤立原子,然后把它放到另一个位置。这就迈出了人类用单个原子这样的“砖块”来建造物质“大厦”的第一步。

如图10-4 所示为IBM 公司的科学家精心制作的“量子围栏”。他们在4K 的温度下用STM 的针尖把48 个铁原子一个个地排列到一块精制的铜表面上,围成一个围栏,把铜表面的电子圈了起来。图中圈内的圆形波纹就是这些电子的概率波图景,电子出现概率大的地方波峰就高,它的大小及图形和量子力学的预言符合得非常好。

(摘自《从量子到宇宙》,作者:高鹏。)



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美国海军宣布F-35C战机通过航母舰载安全飞行最后测试

14-12-2018 军事科技

美国海军宣布F-35C战机通过航母舰载安全飞行最后测试

【美洲华联社讯】美国海军宣布,一个第五代战机F-35C飞行队已经完成了获得航母舰载安全飞行证书的最后一项测试,是美国海军明年宣布F-35C飞行队取得初始作战资质之前的一个重要里程碑。 美国海军2...

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中国对原产于美国的汽车及零部件暂停加征关税

14-12-2018 中美关系

中国对原产于美国的汽车及零部件暂停加征关税

【美洲华联社讯】据华尔街日报报道,中国财政部周五发布声明称,中国将从明年1月1日起对原产于美国的汽车及零部件暂停加征关税三个月。 财政部表示,暂停征收对美国汽车所加征25%的关税以及对汽车零部件...

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2018第三十届世界亚裔小姐选美大赛美国总决赛成功落幕

14-12-2018 社区新闻

2018第三十届世界亚裔小姐选美大赛美国总决赛成功落幕

【美洲华联社洛杉矶报道】由美国国际商会(AICC)、鼎益丰集团主办,美国全美电视台(AMTV)、雷姆卡拉公司(LumColor)、唯盛传媒集团(Vchannel)联合主办的第三十届世界亚裔小姐选美大赛...

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张平总领事举办纪念中美建交四十周年招待会 加州众议长:坚定促进美中关系发展

14-12-2018 侨学资讯

张平总领事举办纪念中美建交四十周年招待会 加州众议长:坚定促进美中关系发展

【美洲华联社洛杉矶报道】中国驻洛杉矶总领事张平和夫人陈蔚于12月13日晚在洛杉矶市中心的 Indigo酒店隆重举办纪念中华人民共和国和美利坚合众国建交四十周年招待会,加州众议院议长Anthony Re...

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中国古典诗词音乐走进美国高校 上海华音堂艺术团来美演出受欢迎

13-12-2018 侨学资讯

中国古典诗词音乐走进美国高校  上海华音堂艺术团来美演出受欢迎

【美洲华联社讯】应有“公立常青藤”之誉的美国密歇根大学(University of Michigan)邀请,上海华音堂艺术团日前在该校其Helmut Setern Auditorium 音乐厅,成功举...

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