穿牆超能力？量子物理的穿隧效應

多數人可能都曾幻想過，若有穿牆透壁的超能力，一定能帶給生活許多的便利。這不再是天馬行空的幻想，而是真實存在的物理現象。根據量子力學，在原子的維度裡，電子能夠穿隧位能高牆，有如網球能夠穿過牆壁一樣。此現象早已不只是理論推測，而是已經被實際應用在我們生活中的「記憶元件」及「奈米科技」發展之中。

撰文｜黃鼎鈞

很多人從小都有一個偷懶的幻想（或是現實），在學校時，直接從外牆「翻」出去到自己想去的地方，不必要再繞到校門口省下一段路。但是牆壁通常很高也相當危險，此時，可能萌生一個天馬行空的想法：「若是能直接『穿透』牆壁該有多方便呀！」這個幻想好像只能在卡通世界裡達成，卡通多啦Ａ夢中有一個道具叫作「穿透環」，可以即時穿透牆壁，常被主角大雄在冒險逃難時拿來使用。現實世界不可能發生嗎？

根據量子力學描述物體的行為，穿牆的現象是實際存在的，而且也已經被應用在我們的生活之中，這個現象稱為「量子穿隧」。

原子級的物理現象遵守量子力學的描述，常與我們的生活經驗不同。走在校園中，可以看到運動場上，許多人對著牆壁練習打網球，靠著網球從牆壁的回彈，不斷地練習揮拍。但我們是否能想像，這一顆網球就在一瞬間沒有回彈，竟然穿越到了牆壁的另一端？若我們將網球想像成電子，牆壁當作一道位能高牆，電子確實能穿過這一道位能高牆，若「牆越薄」或「牆越矮」則穿透的機率越高。通常，電子的穿隧現象常在高牆厚度小於3奈米的情形中被觀察到，這一個現象已被廣泛應用在現代的奈米科技中，讓我們一起認識量子穿隧在生活中的應用。

穿隧接點應用在日常生活的「記憶體」上

穿隧接點（Tunnel junction）是在奈米科技中，根據量子穿隧效應所設計的電子元件，它由一個三明治結構組成，兩側為導體，中間夾著絕緣體。我們都知道電子在導體中可以自由流動，在絕緣體裡則無法流動。按照生活經驗的理解，也就是用古典力學來描述的話，電子是無法從其中一側的導體，穿過絕緣體到另一側的導體。但在原子的世界中，電子卻可以藉由穿隧效應，從其中一側導體跑到另外一側導體。當我們將穿隧接點放在電子元件中，可以透過施加電壓調整絕緣層的位能厚度，或增加電子動能來控制是否讓電子流通。藉由多個穿隧接點的設計，就能進一步安排為邏輯運算的電子元件。

另一方面，這一個三明治結構的穿隧接點，讓科學家彷彿廚師一般，兩側的導體該放上什麼「麵包體」，中間的絕緣層該夾什麼「內餡」，都是科學家思考的問題，正如三明治不同配料將帶出不同的口感、風味一樣，當導體與各式絕緣體組成時，也可能產生不同的物理現象，若能將這一些交互作用加以應用，就能製作出更具效率且有不同功能的穿隧接點。現今許多生活中的電器產品，如：快閃記憶體、電晶體及雷射二極體，皆是穿隧接點的延伸應用。

量子穿隧往更小尺度的奈米科技發展

掃描式穿隧顯微鏡（Scanning tunneling microscope）是一種被應用在奈米科技上的檢驗技術，其平面解析度可達0.1nm，深度解析度則有0.01nm，而一般認為原子大小落在0.03到0.3nm，因此，這項檢測能幫助材料科學家觀察原子層級的物質表面形貌，更瞭解合成材料的結構與品質。掃描式穿隧顯微鏡正是以量子穿隧現象設計的儀器，利用一個非常尖銳的導體探針去掃描物質，此探針與物質表面保持恆定距離，同時對物質施加偏電壓，在物質中的電子則有機會穿隧物質與探針間的真空間隙，此真空間隙可視為上文所述之位能高牆，越靠近探針的物質，真空間隙越窄，代表牆越薄，能夠穿隧過去的電子越多，探針所讀取的電流值則會增大；反之，距離越遠的物質表面，穿隧效應較不顯著則電流變小。透過電流大小的讀值進一步換算，便可描繪原子級的物質表面形貌。有不少科學家甚至將掃描式穿隧顯微鏡配備其他設備，像是雷射光源、溫度控制或外加磁場，藉以觀察物質與其之交互作用，並發現原子產生的變化，進一步瞭解當中的物理機制。

掃描式穿隧顯微鏡的實驗條件相當嚴苛，其實驗環境必須在超高真空（小於1.0 x 10^-9 mbar）底下進行，且實驗樣品表面需要相當的乾淨，才能使電子不受其他因素影響。掃描穿隧顯微鏡是奈米科技發展的利器，被廣泛應用在材料的研究上，但也是一套造價不斐的設備。

「穿隧」的現象確實存在，但要實現卡通多啦Ａ夢中「穿透環」的夢想可不容易。並不是量子力學只適用於原子行為，而是人類生活的尺度，對於一個小小的原子來說有太多的交互作用，這些交互作用的「平均」之下，無法觀察這些有別於生活經驗的神奇量子現象。因此，學生走在校園中，不用擔心牆壁突然飛出一顆網球砸到自己。

量子穿隧現象帶給人們驚喜，創造出了許多新穎的電子元件，卻也成為現代電子元件尺寸縮小發展上的阻礙，因為太薄的電子元件會使得電子穿隧效應更為顯著，漏電流將造成元件運算上的失誤而損失能源。如何善加利用量子穿隧來製作電子元件，且不會因漏電流造成其損耗，將是接下來科學家要權衡、探究的課題！

參考資料：

1. 50 Physics Ideas You Really Need to Know, Joanne Baker
2. Wikipedia contributors. (2022, October 5). Tunnel junction. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 14:44, December 6, 2022, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Tunnel_junction&oldid=1114265017
3. Wikipedia contributors. (2022, December 4). Scanning electron microscope. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 14:46, December 6, 2022, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Scanning_electron_microscope&oldid=1125470622