近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所能源材料與器件制造研究部楊勇研究員在微觀粒子的雙勢(shì)壘共振隧穿及基于此開展超高精度測(cè)量研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在美國物理學(xué)會(huì)期刊Physical Review Research (Phys. Rev. Research 6, 013087 (2024))。
在經(jīng)典物理的世界里，一個(gè)物體不能跨越比其自身能量高的能量壁壘（即勢(shì)壘）。在量子物理的世界里，一個(gè)粒子則能以一定概率穿越比其自身能量高的勢(shì)壘。這種現(xiàn)象通常稱之為量子隧穿效應(yīng)。
現(xiàn)代物理的一個(gè)基本問題是，人們生活的三維空間（實(shí)空間）是連續(xù)的嗎？換句話說，實(shí)空間是無限可分的么？在宏觀經(jīng)典的世界里，基于日常生活經(jīng)驗(yàn)給出的答案無疑是肯定的：江河的流水，奔跑的動(dòng)物，空中的飛鳥，以及自由下落的物體，無一例外的給予人們連續(xù)軌跡的印象。在經(jīng)典力學(xué)中，用連續(xù)的坐標(biāo)來描寫物體的運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是理所當(dāng)然的。
在量子世界里面，情況則會(huì)發(fā)生戲劇性的變化。例如，當(dāng)一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)受到限制的時(shí)候，它的穩(wěn)定態(tài)的能量只能取一些的離散值。在當(dāng)代物理學(xué)的前沿研究中，一些嘗試統(tǒng)一量子力學(xué)和描述引力的廣義相對(duì)論的理論預(yù)測(cè)了一個(gè)最小長度的存在，通常取為普朗克尺度(lP)，這個(gè)長度大約是1.6×10-35米。然而，這個(gè)長度的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)是極具挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗h(yuǎn)小于當(dāng)前最精密的距離變化測(cè)量?jī)x器 —— 發(fā)現(xiàn)引力波的激光干涉引力波天文臺(tái) (LIGO) 能測(cè)量的最小長度 (大約是10-19米)。
該工作中，楊勇研究員系統(tǒng)的研究了任意形狀的雙勢(shì)壘體系的量子隧穿現(xiàn)象并證明了一個(gè)定理。這個(gè)定理表明，如果兩個(gè)勢(shì)壘之間的間距可以連續(xù)變化，即實(shí)空間是連續(xù)的，則只要適當(dāng)調(diào)節(jié)勢(shì)壘間距，入射粒子不論能量多小均可以完全穿透雙勢(shì)壘體系。這種現(xiàn)象通常被稱為共振隧穿。反之，如果實(shí)空間是不連續(xù)的，即存在一個(gè)非零的最小尺度（如普朗克長度），則當(dāng)勢(shì)壘的尺寸或者粒子質(zhì)量超過某個(gè)上限值的時(shí)候，共振隧穿現(xiàn)象就不再發(fā)生。更進(jìn)一步，楊勇研究員深入分析了測(cè)不準(zhǔn)原理帶來的影響，提出了一系列可能的用作檢驗(yàn)理論方案的實(shí)際體系。該研究揭示了量子隧穿現(xiàn)象和量子引力理論這兩個(gè)看起來毫不相關(guān)的物理分支，可以通過最小空間尺度建立起深刻的聯(lián)系。這不僅彰顯了微觀粒子波函數(shù)相位的重要性，而且發(fā)展了基于雙勢(shì)壘的共振隧穿開展超高精度測(cè)量這一新領(lǐng)域，開辟了可能的檢驗(yàn)最小空間尺度存在性的新途徑。
圖1. (a) 雙勢(shì)壘之間的量子干涉及隧穿現(xiàn)象；(b) 通過改變勢(shì)壘間距調(diào)控共振能級(jí)；(c) 給定能量下的量子隧穿概率隨勢(shì)壘間距的分布。
圖2. （a）微觀粒子被單勢(shì)壘幾乎完全反射；（b）滿足給定勢(shì)壘間距的條件下，同樣的微觀粒子在雙勢(shì)壘之間發(fā)生共振隧穿。其中，勢(shì)壘變化步長不小于普朗克長度lP。
上述研究獲得了國家自然科學(xué)基金的資助。
