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壘共振隧穿及基于此開展超高精度測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論的理論預(yù)測了一個(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量儀器 —— 發(fā)現(xiàn)引力波的激光干涉引力波天文臺 (LIGO) 能測量的最小長度 (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)勢壘間距，入射粒子不論能量多小均可以完全穿透雙勢壘體系。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)展了基于雙勢壘的共振隧穿開展超高精度測量這一新領(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) 雙勢壘之間的量子干涉及隧穿現(xiàn)象；(b) 通過改變勢壘間距調(diào)控共振能級；(c) 給定能量下的量子隧穿概率隨勢壘間距的分布。
圖2. （a）微觀粒子被單勢壘幾乎完全反射；（b）滿足給定勢壘間距的條件下，同樣的微觀粒子在雙勢壘之間發(fā)生共振隧穿。其中，勢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。
