穿牆超能力?量子物理的穿隧效應

分享至

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。

圖1:圖片出處 Wikimedia Commons量子穿隧效應示意圖

 

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。

圖2:穿隧接點示意圖。由兩側導體及中間絕緣體所形成的三明治結構。藉由調整絕緣體形成之位能大小,或施加電壓於電子時,可以控制電子穿隧過絕緣體的機率,進而形成「導通」或「關閉」的開關,可被進一步設計為邏輯運算的單元。來源:本文作者。

 

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。

圖3:圖片出處 Wikimedia Commons 掃描穿隧顯微鏡原理示意。由探針(Tip)與物質表面保持恆定距離,並對物質施予電壓(Tunneling voltage),電子則會穿隧過探針與物質間的真空間隙,再藉由電流放大器(Tunneling current amplifier)進一步讀取電流值換算探針與表面的距離(Data processing and display),並繪製出物質的表面形貌。

 

「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
(Visited 479 times, 1 visits today)

分享至
views