量子隧道效應

量子隧道效應是基本的量子現象之一，即當微觀粒子的總能量小於勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。按經典理論，粒子為脱離此能量的勢壘，必須從勢壘的頂部越過。但由於量子力學中的量子不確定性，時間和能量為一組共軛量。在很短的時間中（即時間很確定），能量可以很不確定，從而使一個粒子看起來像是從“隧道”中穿過了勢壘。在諸如能級的切換，兩個粒子相撞或分離的過程（如在太陽中發生的僅約1000萬攝氏度的“短核聚變”）中，量子隧道效應經常發生 ^[1]  。

美國固體物理學家加埃沃在超導電性研究中取得的一個重要成就，1960年完成。加埃沃把兩塊金屬電極中間夾一層很薄的絕緣層(10—7釐米數量級)的結構叫做隧道結。根據量子力學原理，電子可以通過這樣薄的絕緣層，當給隧道結兩端加電壓時就能產生電流。對於一個電極是超導體的隧道結，當所加電壓可使電子能量超過其能隙寬度時，在温度遠低於超導體臨界温度的情況下，電子可以通過結，從而使電流陡然上升。這便是超導體的單電子隧道效應。加埃沃由於這一發現而與半導體隧道二極管的發明者江崎玲於奈以及約瑟夫森共同獲得1973年獲諾貝爾物理學獎 ^[2]  。

人們發現一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應，稱為宏觀的量子隧道效應。早期曾用來解釋納米鎳粒子在低温繼續保持超順磁性。來人們發現Fe－Ni薄膜中疇壁運動速度在低於某一臨界温度時基本上與温度無關。於是，有人提出量子理想的零點震動可以在低温起着類似熱起伏的效應。從而使零温度附近微顆粒磁化矢量的重取向，保持有限的馳豫時間，即在絕對零度仍然存在非零的磁化反轉率。宏觀量子隧道效應的研究對基礎研究及實用都有着重要的意義，它限定了磁帶、磁盤進行信息貯存的時間極限。量子尺寸效應，隧道效應將會是未來電子器件的基礎，或者它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限。當電子器件進一步細微化時，必須要考慮上述的量子效應。

量子尺寸效應、表面效應、小尺寸效應及量子隧道效應都是納米微粒與納米固體的基本特性。除此之外，納米材料還有在此基礎上的介電限域效應、表面缺陷、量子隧穿等。這些特性使納米微粒和納米固體表現出許多奇異的物理、化學性質，出現一些“反常現象”。例如金屬為導體，在低温時納米金屬微粒由於量子尺寸效應會呈現電絕緣性；一般PbTiO₃，BaTiO₃和SrTiO₃等是典型鐵電體，但當其尺寸進入納米數量級就會變成順電體；鐵磁性的物質進入納米尺度（～5nm）時，由多疇變成單疇，於是顯示極強順磁效應；當粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成了納米陶瓷時，已不具有典型共價鍵特徵，界面鍵結構出現部分極性，在交流電下電阻很小；化學惰性極高的金屬鉑製成納米粒子（鉑黑）後，卻成為活性極好的催化劑；金屬由於光反射現象呈現出各種美麗的顏色，而金屬的納米粒子光反射能力顯著降低，通常可低於1%，由於小尺寸和表面效應使納米粒子對光吸收表現極強能力；由納米粒子組成的納米固體在較寬譜範圍顯示出對光的均勻吸收性，納米複合多層膜在7～17GHz頻率的吸收峯高達14dB，在10dB水平的吸收頻寬為2GHz；顆粒為6nm的納米Fe晶體的斷裂強度較之多晶Fe提高12倍；納米Cu晶體自擴散是傳統晶體的10¹⁶至10¹⁹倍，是晶界擴散的10³倍；納米金屬Cu的比熱是傳統純Cu的兩倍；納米固體Pd熱膨脹提高一倍；納米Ag晶體作為稀釋致冷機的熱交換器效率較傳統材料高30%；納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍，而飽和磁矩是普通金屬的1/2 ^[3]  。