[科普中国]-量子隧道效应

量子隧道效应（英文Quantum tunnelling effect）是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。

一般PbTiO3，BaTiO3和SrTiO3等是典型铁电体，但当其尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；这是不对的论述，其实西北工业大学苏力宏老师在前期研究中已经发表论文，论述过这些铁电体纳米尺度材料制备方法不好，才显示顺电体，实际制备控制精度高的时候，即使在10nm以下也是铁电体，只是此时这一各向异性差异很微弱而已。

简介量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。如图，纵坐标为能量的多少。按经典理论，粒子为脱离此能量的势垒，必须从势垒的顶部越过。但由于量子力学中的量子不确定性，时间和能量为一组共轭量。在很短的时间中（即时间很确定），能量可以很不确定，从而使一个粒子看起来像是从“隧道”中穿过了势垒。在诸如能级的切换，两个粒子相撞或分离的过程（如在太阳中发生的仅约1000万摄氏度的“短核聚变”）中，量子隧道效应经常发生1。

隧道效应的发现美国固体物理学家加埃沃在超导电性研究中取得的一个重要成就，1960年完成。加埃沃把两块金属电极中间夹一层很薄的绝缘层(10—7厘米数量级)的结构叫做隧道结。根据量子力学原理，电子可以通过这样薄的绝缘层，当给隧道结两端加电压时就能产生电流。对于一个电极是超导体的隧道结，当所加电压可使电子能量超过其能隙宽度时，在温度远低于超导体临界温度的情况下，电子可以通过结，从而使电流陡然上升。这便是超导体的单电子隧道效应。加埃沃由于这一发现而与半导体隧道二极管的发明者江崎玲於奈以及约瑟夫森共同获得瑟夫森共同获得1973年获诺贝尔物理学奖2。

发展人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。早期曾用来解释纳米镍粒子在低温继续保持超顺磁性。来人们发现Fe－Ni薄膜中畴壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与温度无关。于是，有人提出量子理想的零点震动可以在低温起着类似热起伏的效应。从而使零温度附近微颗粒磁化矢量的重取向，保持有限的驰豫时间，即在绝对零度仍然存在非零的磁化反转率。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要的意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应，隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。

特性量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基本特性。除此之外，纳米材料还有在此基础上的介电限域效应、表面缺陷、量子隧穿等。这些特性使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的物理、化学性质，出现一些“反常现象”。例如金属为导体，在低温时纳米金属微粒由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；一般PbTiO3，BaTiO3和SrTiO3等是典型铁电体，但当其尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；铁磁性的物质进入纳米尺度（～5nm）时，由多畴变成单畴，于是显示极强顺磁效应；当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成了纳米陶瓷时，已不具有典型共价键特征，界面键结构出现部分极性，在交流电下电阻很小；化学惰性极高的金属铂制成纳米粒子（铂黑）后，却成为活性极好的催化剂；金属由于光反射现象呈现出各种美丽的颜色，而金属的纳米粒子光反射能力显著降低，通常可低于1%，由于小尺寸和表面效应使纳米粒子对光吸收表现极强能力；由纳米粒子组成的纳米固体在较宽谱范围显示出对光的均匀吸收性，纳米复合多层膜在7～17GHz频率的吸收峰高达14dB，在10dB水平的吸收频宽为2GHz；颗粒为6nm的纳米Fe晶体的断裂强度较之多晶Fe提高12倍；纳米Cu晶体自扩散是传统晶体的1016至1019倍，是晶界扩散的103倍；纳米金属Cu的比热是传统纯Cu的两倍；纳米固体Pd热膨胀提高一倍；纳米Ag晶体作为稀释致冷机的热交换器效率较传统材料高30%；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩是普通金属的1/23。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学