近日，中国科学院合肥材料研究所固体能源材料及器件制造研究部研究员杨勇在微粒双势垒共振隧穿和超高精度测量方面取得了重要进展。美国物理学会期刊Physical发表了相关研究成果 Review Research (Phys. Rev. Research 6, 013087 (2024))。
在经典物理世界中，一个物体不能跨越能量壁垒（即势垒），能量壁垒高于自身能量。在量子物理世界中，粒子可以以一定的概率穿越高于自身能量的势垒。这种现象通常被称为量子隧道穿透效应。
现代物理的一个基本问题是，人们生活的三维空间（实际空间）是连续的吗？换言之，实际空间是无限可分的吗？在宏观经典世界中，基于日常生活经验的答案无疑是肯定的：河流、奔跑的动物、空中的鸟类和自由落下的物体无一例外地给人留下了持续轨迹的印象。在经典力学中，用连续坐标来描述物体的运动被认为是理所当然的。
在量子世界中，情况会发生戏剧性的变化。例如，当粒子的运动受到限制时，其稳定的能量只能取出一些离散值。在当代物理学的前沿研究中，一些试图统一量子力学和描述重力的广义相对论预测了最小长度的存在，通常是普朗克尺度(lP)，长度约为1.6×10-35米。然而，由于距离变化测量仪器远小于目前最准确的距离变化测量仪器，这种长度测试非常具有挑战性 —— 发现引力波激光干扰引力波天文台 (LIGO) 可以测量最小长度 (大约是10-19米)。
在这项工作中，杨勇研究员系统地研究了任何形状的双势垒系统的量子隧穿现象，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改变，即实际空间是连续的，只要适当调整势垒间距，无论能量有多小，入射粒子都可以完全穿透双势垒系统。这种现象通常被称为共振隧穿。相反，如果实际空间不连续，即具有非零最小尺寸（如普朗克长度），共振隧道将不再发生，当势垒的尺寸或粒子质量超过一定上限时。此外，杨勇研究员深入分析了测不准原理的影响，并提出了一系列可能用于测试理论方案的实际系统。这项研究揭示了两个看似无关的物理分支，即量子隧穿现象和量子引力理论，可以通过最小空间尺度建立深刻的联系。这不仅反映了微粒子波函数相位的重要性，也开发了基于双势垒的共振隧道超高精度测量的新领域，开辟了测试最小空间尺度存在性的可能新途径。
图1. (a) 双势垒之间的量子干扰涉及隧道穿越；(b) 通过改变势垒间距来调节共振能水平；(c) 量子隧道在给定能量下的穿透概率随势垒间距分布。
图2. （a）单势垒几乎完全反射微粒；（b）在满足给定势垒间距的条件下，同一颗粒在双势垒之间发生共振隧穿。其中，势垒的变化步长不小于普朗克的长度lP。