關(guān)注量子科學(xué)探究宇宙奧秘

　　1234量子隧穿效應(yīng)是一種量子特性，是電子等微觀(guān)粒子能夠穿過(guò)它們本來(lái)無(wú)法通過(guò)的“墻壁”的現(xiàn)象。這是因?yàn)楦鶕?jù)量子力學(xué)，微觀(guān)粒子具有波的性質(zhì)，而有不為零的概率穿過(guò)位勢(shì)障壁。一個(gè)最形象的動(dòng)畫(huà)：

　　入門(mén)知識(shí)

　　1234隧穿效應(yīng)，又稱(chēng)勢(shì)壘貫穿。按照經(jīng)典理論，一個(gè)球如果它的動(dòng)能小于一個(gè)山坡的勢(shì)能，那么球是不可能翻過(guò)山坡的。

　　但依量子力學(xué)觀(guān)點(diǎn)，無(wú)論粒子能量是否高于勢(shì)壘（山坡的勢(shì)能），都不能肯定粒子是否能越過(guò)勢(shì)壘，只能說(shuō)出粒子越過(guò)勢(shì)壘概率的大小。它取決于勢(shì)壘高度、寬度及粒子本身的能量。能量高于勢(shì)壘的、運(yùn)動(dòng)方向適宜的未必一定反應(yīng)，只能說(shuō)穿透概率較大。而能量低于勢(shì)壘的仍有一定概率實(shí)現(xiàn)反應(yīng)，即可能有一部分粒子穿越勢(shì)壘，好像從大山隧道通過(guò)一般。這就是隧道效應(yīng)。

　　量子隧穿效應(yīng)示意圖。

　　1234隧穿粒子的能量不變，只有量子幅降低。因此，找到粒子的概率也會(huì)降低。對(duì)于狄拉克費(fèi)米子，垂直入射還能100%穿透。當(dāng)然要理解這一切，需要會(huì)求解薛定諤波動(dòng)方程。

　　1234有些時(shí)候，為了數(shù)學(xué)上的便利，物理學(xué)家會(huì)視粒子的行為像質(zhì)點(diǎn)一般，特別是當(dāng)解析關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和牛頓第二定律的問(wèn)題時(shí)，物理學(xué)家常會(huì)這樣做。過(guò)去，物理學(xué)家認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)的成功意味著粒子可以被視為局域化于一點(diǎn)。但是，當(dāng)涉及非常小的物體和非常小的距離時(shí)，并沒(méi)有任何令人心服口服的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，可以證明這論點(diǎn)是正確的。反之，物理學(xué)家現(xiàn)在知道這看法是錯(cuò)誤的 。而量子力學(xué)不允許粒子局域化于一點(diǎn)。粒子的波函數(shù)必是有些散開(kāi)的（“非局域的”），而非局域的物體，其動(dòng)能的期望值必是正值的。

　　1234可是，由于傳統(tǒng)教學(xué)方法仍舊反復(fù)灌輸粒子的行為像質(zhì)點(diǎn)一般這概念，學(xué)生有時(shí)會(huì)非常驚訝地發(fā)覺(jué)，行進(jìn)粒子總是遵守波動(dòng)方程（甚至是當(dāng)使用移動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的數(shù)學(xué)會(huì)造成很多便利的時(shí)候）。很明顯地，根據(jù)牛頓定律，一個(gè)假設(shè)地經(jīng)典質(zhì)點(diǎn)粒子絕對(duì)無(wú)法進(jìn)入負(fù)動(dòng)能區(qū)域。而一個(gè)遵守波動(dòng)方程的真實(shí)非局域物體，會(huì)永遠(yuǎn)擁有正值動(dòng)能，假若條件恰當(dāng)，則能夠穿透過(guò)這區(qū)域。正在接近一個(gè)位勢(shì)壘的一個(gè)電子，必須表達(dá)為一個(gè)波列。有時(shí)候，這波列可能會(huì)相當(dāng)長(zhǎng)。在某些物質(zhì)里，電子波列的長(zhǎng)度可能有10至20奈米。這會(huì)增加模擬動(dòng)畫(huà)的難度。假設(shè)可以用短波列來(lái)代表電子，那么，下圖動(dòng)畫(huà)正確地顯示出隧穿效應(yīng)。

　　電子波包遇到位勢(shì)壘而產(chǎn)生的反射和隧穿效應(yīng)。往位勢(shì)壘的左邊移動(dòng)的明亮圓盤(pán)是波包的反射部分。暗淡的圓盤(pán)可以被觀(guān)察到往位勢(shì)壘的右邊移動(dòng)，是波包穿過(guò)位勢(shì)壘的很微小的一部分。這是經(jīng)典力學(xué)所不允許的。順便注意入射波與反射波，因?yàn)榀B加，而產(chǎn)生的干涉條紋。

　　隧穿效應(yīng)的例子

　　12341. 阿爾法衰變就是因?yàn)榘柗Ｗ訑[脫了本來(lái)不可能擺脫的強(qiáng)力的束縛而“逃出”原子核。

　　12342. 隧道二極管（隧穿二極管或Tunnel Diode）是一種可以高速切換的半導(dǎo)體，其切換速度可到達(dá)微波頻率的范圍，其原理是利用量子隧穿效應(yīng)。

　　12343. 掃描隧道顯微鏡是量子隧穿效應(yīng)的主要應(yīng)用之一。掃描隧道顯微鏡可以克服普通光學(xué)顯微鏡像差的限制，通過(guò)隧穿電子掃描物體表面，從而辨別遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的物體。

　　1234量子隧穿效應(yīng)是一種量子特性，是電子等微觀(guān)粒子能夠穿過(guò)它們本來(lái)無(wú)法通過(guò)的“墻壁”的現(xiàn)象。

　　內(nèi)容簡(jiǎn)介

　　1234在兩塊金屬（或半導(dǎo)體、超導(dǎo)體）之間夾一層厚度約為0.1nm的極薄絕緣層，構(gòu)成一個(gè)稱(chēng)為“結(jié)”的元件。設(shè)電子開(kāi)始處在左邊的金屬中，可認(rèn)為電子是自由的，在金屬中的勢(shì)能為零。由于電子不易通過(guò)絕緣層，因此絕緣層就像一個(gè)壁壘，我們將它稱(chēng)為勢(shì)壘。一個(gè)高度為U0、寬為a的勢(shì)壘，勢(shì)壘右邊有一個(gè)電子，電子能量為E 。

　　1234隧道效應(yīng)無(wú)法用經(jīng)典力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)解釋。因電子的能量小于區(qū)域Ⅱ中的勢(shì)能值U0，若電子進(jìn)入Ⅱ區(qū)，就必然出現(xiàn)“負(fù)動(dòng)能”，這是不可能發(fā)生的。但用量子力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，電子具有波動(dòng)性，其運(yùn)動(dòng)用波函數(shù)描述，而波函數(shù)遵循薛定諤方程，從薛定諤方程的解就可以知道電子在各個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的概率密度，從而能進(jìn)一步得出電子穿過(guò)勢(shì)壘的概率。該概率隨著勢(shì)壘寬度的增加而指數(shù)衰減。因此，在宏觀(guān)實(shí)驗(yàn)中，不容易觀(guān)察到該現(xiàn)象。

　　1234隧道效應(yīng);隧穿效應(yīng);勢(shì)壘貫穿;tunneling effect

　　1234又稱(chēng)隧穿效應(yīng)，勢(shì)壘貫穿。按照經(jīng)典理論，總能量低于勢(shì)壘是不能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的。但依量子力學(xué)觀(guān)點(diǎn)，無(wú)論粒子能量是否高于勢(shì)壘，都不能肯定粒子是否能越過(guò)勢(shì)壘，只能說(shuō)出粒子越過(guò)勢(shì)壘概率的大小。它取決于勢(shì)壘高度、寬度及粒子本身的能量。能量高于勢(shì)壘的、運(yùn)動(dòng)方向適宜的未必一定反應(yīng)，只能說(shuō)反應(yīng)概率較大。而能量低于勢(shì)壘的仍有一定概率實(shí)現(xiàn)反應(yīng)，即可能有一部分粒子(代表點(diǎn))穿越勢(shì)壘(也稱(chēng)勢(shì)壘穿透barrier penetration)，好像從大山隧道通過(guò)一般。這就是隧道效應(yīng)。例如H+H2低溫下反應(yīng)，其隧道效應(yīng)就較突出。

　　1234根據(jù)愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論，任何物質(zhì)在任何狀況下的速度都不會(huì)超過(guò)光速-- 299,792,458米/秒。從理論上說(shuō)，如果超過(guò)光速，時(shí)間將會(huì)出現(xiàn)倒流。

　　1234據(jù)報(bào)道，日前兩位德國(guó)科學(xué)家卻聲稱(chēng)，利用量子隧穿效應(yīng)（quantum tunnelling），他們找到了讓光突破自己速度限制的方法。

　　1234據(jù)報(bào)道，兩位德國(guó)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)是讓微波光子粒子通過(guò)兩個(gè)棱鏡并進(jìn)行觀(guān)測(cè)得出。當(dāng)兩個(gè)棱鏡分開(kāi)時(shí)，大部分粒子都被第一個(gè)棱鏡反射然后被探測(cè)器發(fā)現(xiàn)。但是，他們發(fā)現(xiàn)，有部分粒子卻“隧穿”過(guò)了兩個(gè)棱鏡之間的間隙并被第二個(gè)棱鏡反射回到探測(cè)器。盡管這部分粒子比大部分粒子穿越的距離要長(zhǎng)，但是，兩部分粒子卻是同時(shí)被探測(cè)器發(fā)現(xiàn)。這也就是說(shuō)，產(chǎn)生“隧穿”的光子粒子的速度超出了光速。

　　1234德國(guó)科布倫茨大學(xué)教授Gunter Nimtz表示：“目前，這是唯一違反狹義相對(duì)論的一種現(xiàn)象?！?/p>

　　1234在量子力學(xué)里，量子隧穿效應(yīng)為一種量子特性，是如電子等微觀(guān)粒子能夠穿過(guò)它們本來(lái)無(wú)法通過(guò)的“墻壁”的現(xiàn)象。這是因?yàn)楦鶕?jù)量子力學(xué)，微觀(guān)粒子具有波的性質(zhì)，而有不為零的概率穿過(guò)位勢(shì)障壁。

　　1234量子隧穿效應(yīng)(Quantum tunnelling effect) ，是一種衰減波耦合效應(yīng)，其量子行為遵守薛定諤波動(dòng)方程。假若條件恰當(dāng)，任何波動(dòng)方程都會(huì)顯示出出衰減波耦合效應(yīng)。數(shù)學(xué)地等價(jià)于量子隧穿效應(yīng)的波耦合效應(yīng)也會(huì)發(fā)生于其它狀況。例如，遵守麥克斯韋方程組的光波或微波；遵守常見(jiàn)的非色散波動(dòng)方程的繩波或聲波。

　　1234若要使隧穿效應(yīng)發(fā)生，必須有一個(gè) 2 型介質(zhì)的薄區(qū)域，像三明治一般，夾在兩個(gè) 1 型介質(zhì)的區(qū)域。2 型介質(zhì)的波動(dòng)方程必須容許實(shí)值指數(shù)函數(shù)解（上升指數(shù)函數(shù)或下降指數(shù)函數(shù)），而 1 型介質(zhì)的波動(dòng)方程則必須容許行進(jìn)波解。在光學(xué)里，1 型介質(zhì)可能是玻璃，而 2 型介質(zhì)可能是真空。在量子力學(xué)里，從粒子運(yùn)動(dòng)這方面來(lái)說(shuō)，1 型介質(zhì)區(qū)域是粒子總能量大于位能的區(qū)域，而 2 型介質(zhì)是粒子總能量小于位能的區(qū)域（稱(chēng)為位勢(shì)壘）。

　　1234假若條件恰當(dāng)，從 1 型介質(zhì)區(qū)域入射至 2 型介質(zhì)區(qū)域，行進(jìn)波的波幅會(huì)穿透過(guò) 2 型介質(zhì)區(qū)域，再以進(jìn)行波的形式，出現(xiàn)于第二個(gè) 1 型介質(zhì)區(qū)域。在量子力學(xué)里，穿透過(guò)的波幅可以合乎物理地解釋為行進(jìn)粒子。遵守薛定諤波動(dòng)方程，穿透波幅的絕對(duì)值平方和入射波幅的絕對(duì)值平方的比率給出了粒子隧穿的透射系數(shù)，也就是其透射概率。對(duì)于遵守其它種波動(dòng)方程的光波、微波、繩波、聲波等等，穿透波幅可以物理地解釋為行進(jìn)能量，而穿透波幅的絕對(duì)值平方和入射波幅的絕對(duì)值平方的比率則給出了穿透能量和入射能量的比率。

　　入門(mén)概念

　　1234這些"類(lèi)似隧穿現(xiàn)象"發(fā)生的尺寸與行進(jìn)波的波長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)于電子來(lái)說(shuō)， 2 型介質(zhì)區(qū)域的厚度通常只有幾納米。相比之下，對(duì)于一個(gè)隧穿出原子核的阿爾法粒子來(lái)說(shuō)，厚度會(huì)是超??；對(duì)于光波來(lái)說(shuō)，雖然 2 型介質(zhì)區(qū)域的厚度超大，類(lèi)似現(xiàn)象仍舊會(huì)發(fā)生。

　　1234仔細(xì)觀(guān)察薛定諤波動(dòng)方程。假若粒子可以被視為一個(gè)局域化 (localized) 于一點(diǎn)的物體，則粒子在介質(zhì)區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的行為是由粒子的動(dòng)能設(shè)定的。在 1 型介質(zhì)區(qū)域內(nèi)，動(dòng)能是正值的；而在 2 型介質(zhì)區(qū)域內(nèi)，動(dòng)能是負(fù)值的。這現(xiàn)象并不會(huì)造成任何矛盾。量子力學(xué)不允許粒子局域化于一點(diǎn)。粒子的波函數(shù)必是有些散開(kāi)的（"非局域的"），而非局域的物體，其動(dòng)能的期望值必是正值的。

　　1234有些時(shí)候，為了數(shù)學(xué)上的便利，物理學(xué)家會(huì)視粒子的行為像質(zhì)點(diǎn)一般，特別是當(dāng)解析關(guān)于經(jīng)典力學(xué)和牛頓第二定律的問(wèn)題時(shí)，物理學(xué)家常會(huì)這樣做。過(guò)去，物理學(xué)家認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)的成功意味著粒子可以被視為局域化于一點(diǎn)。但是，當(dāng)涉及非常小的物體和非常小的距離時(shí)，并沒(méi)有任何令人心服口服的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，可以證明這論點(diǎn)是正確的。反之，物理學(xué)家的這看法是錯(cuò)誤的?？墒?，由于傳統(tǒng)教學(xué)方法仍舊反復(fù)灌輸粒子的行為像質(zhì)點(diǎn)一般這概念，學(xué)生有時(shí)會(huì)非常驚訝地發(fā)覺(jué)，行進(jìn)粒子總是遵守波動(dòng)方程（甚至是當(dāng)使用移動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的數(shù)學(xué)會(huì)造成很多便利的時(shí)候）。很明顯地，根據(jù)牛頓定律，一個(gè)假設(shè)地經(jīng)典質(zhì)點(diǎn)粒子絕對(duì)無(wú)法進(jìn)入負(fù)動(dòng)能區(qū)域。而一個(gè)遵守波動(dòng)方程的真實(shí)非局域物體，會(huì)永遠(yuǎn)擁有正值動(dòng)能，假若條件恰當(dāng)，能夠穿透過(guò)這區(qū)域。

　　1234正在接近一個(gè)位勢(shì)壘的一個(gè)電子，必須表達(dá)為一個(gè)波列。有時(shí)候，這波列可能會(huì)相當(dāng)長(zhǎng)。在某些物質(zhì)里，電子波列的長(zhǎng)度可能有 10 至 20 納米。 這會(huì)增加模擬動(dòng)畫(huà)的難度。假設(shè)可以用短波列來(lái)代表電子，那么，右圖動(dòng)畫(huà)正確地顯示出隧穿效應(yīng)。

　　1234電子波包遇到位勢(shì)壘而產(chǎn)生的反射和隧穿效應(yīng)。往位勢(shì)壘的左邊移動(dòng)的明亮圓盤(pán)是波包的反射部分。暗淡的圓盤(pán)可以被觀(guān)察到往位勢(shì)壘的右邊移動(dòng)，是波包穿過(guò)位勢(shì)壘的很微小的一部分。這是經(jīng)典力學(xué)所不允許的。順便注意入射波與反射波，因?yàn)榀B加，而產(chǎn)生的干涉條紋。

　　1234隧穿效應(yīng)的數(shù)學(xué)解析有一個(gè)特別問(wèn)題。對(duì)于簡(jiǎn)單的位勢(shì)壘模型，像長(zhǎng)方形位勢(shì)壘，薛定諤方程有解析解，可以給出精確的隧穿概率，又稱(chēng)為穿透系數(shù)。這一類(lèi)的計(jì)算可以清楚的表明隧穿效應(yīng)的物理內(nèi)涵。更進(jìn)一步，物理學(xué)家很想要能夠計(jì)算出更合乎實(shí)際物理的隧穿效應(yīng)。但是，在輸入適當(dāng)?shù)奈粍?shì)壘數(shù)學(xué)公式于薛定諤方程后，大多數(shù)時(shí)候，我們會(huì)得到一個(gè)棘手的非線(xiàn)性微分方程。通常，這類(lèi)微分方程沒(méi)有解析解。很早以前，數(shù)學(xué)家和數(shù)學(xué)物理家就已經(jīng)在研究這問(wèn)題了。他們研究出一些特別的方法來(lái)近似地解析這些方程。在物理學(xué)里，這些特別方法被稱(chēng)為半經(jīng)典方法。一個(gè)常見(jiàn)的半經(jīng)典方法是WKB 近似（又稱(chēng)為 JWKB 近似）。最先為人所知的嘗試使用這類(lèi)方法來(lái)解答隧穿問(wèn)題，發(fā)生于 1928 年，用在場(chǎng)電子發(fā)射(field electron emission) 問(wèn)題。N. Fröman 和 P. O. Fröman ，兩位物理學(xué)家，于 1965 年，最先得到完全正確的數(shù)學(xué)答案（他們也給出了合理的數(shù)學(xué)論證）。他們的復(fù)雜點(diǎn)子還沒(méi)有被寫(xiě)入理論物理教科書(shū)。當(dāng)今的理論物理教科書(shū)所講述的方法比較簡(jiǎn)單，比較不精確。稍后，我們會(huì)簡(jiǎn)略的講述一個(gè)個(gè)別的半經(jīng)典方法。

　　1234有些研究隧穿效應(yīng)的物理學(xué)家認(rèn)為，粒子只不過(guò)擁有波樣的物理行為，實(shí)際上粒子是質(zhì)點(diǎn)樣的。支持這看法的實(shí)驗(yàn)證據(jù)非常稀少。多數(shù)物理學(xué)家比較偏好的看法是，粒子實(shí)際上是非局域的 (delocalized)，而是波樣的，總是表現(xiàn)出波樣的物理行為。但是，在某些狀況，使用移動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的數(shù)學(xué)來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)是一個(gè)很便利的方法。這里，我們采取第二種看法。不論如何，這波樣的物理行為的真實(shí)本質(zhì)是一個(gè)更深?yuàn)W的問(wèn)題，不包括在此文章所講述范圍之內(nèi)。

　　1234這里所研討的現(xiàn)象通常稱(chēng)為量子隧穿效應(yīng)或粒子隧穿效應(yīng)。但是，隧穿理論注重的是粒子在波動(dòng)方面的物理行為，而不是關(guān)于粒子能級(jí)方面的效應(yīng)。因此，有些作者比較喜歡稱(chēng)這現(xiàn)象為波動(dòng)隧穿效應(yīng)。

　　首次穿墻

　　1234據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2012年4月6日（北京時(shí)間）報(bào)道英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家首次利用光讓電子穿過(guò)了經(jīng)典力學(xué)里無(wú)法穿越的“墻壁”（勢(shì)壘），實(shí)現(xiàn)了量子隧穿，科學(xué)家們有望借此研制出新的凝聚態(tài)。相關(guān)研究發(fā)表在4月5日出版的《科學(xué)》雜志上。

　　1234在量子力學(xué)里，量子隧穿效應(yīng)為一種量子特性，是電子等微觀(guān)粒子能夠穿過(guò)它們本來(lái)無(wú)法通過(guò)的“墻壁”的現(xiàn)象。正常情況下，粒子無(wú)法穿過(guò)這些“墻壁”，但如果這些粒子足夠小，這一切就可以發(fā)生。在放射性衰變發(fā)生時(shí)、在很多化學(xué)反應(yīng)中以及在掃描隧道顯微鏡內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)這種量子隧穿效應(yīng)，這是因?yàn)楦鶕?jù)量子力學(xué)，微觀(guān)粒子具有波的性質(zhì)，因而有不為零的概率穿過(guò)這些“墻壁”。

　　1234該研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者杰里米·鮑姆博格表示：“告訴電子如何穿過(guò)‘墻壁’的技巧是讓光同電子‘聯(lián)姻’。”

　　1234科學(xué)家們解釋到，這場(chǎng)“聯(lián)姻”是“命中注定”的，因?yàn)楣庖怨舱袂还庾拥男问匠霈F(xiàn)，科學(xué)家們將一束光捕獲在鏡子之間，讓其在鏡子間來(lái)回反彈，光把電子夾在中間，讓電子振動(dòng)穿過(guò)墻壁。

　　1234研究人員皮特·克里斯托弗里尼指出：“這場(chǎng)‘婚姻’產(chǎn)生的后代實(shí)際上是新的不可分割的粒子，這些粒子由光和物質(zhì)組成，可以自由地通過(guò)像平板一樣的半導(dǎo)體‘墻壁’而消失。”

　　1234科學(xué)家表示，新粒子的獨(dú)特特征之一是它們會(huì)朝一個(gè)特定的方向延伸，而且它們之間也存在著強(qiáng)烈的相互作用。

　　1234當(dāng)前，很多試圖制造出“凝聚態(tài)”的半導(dǎo)體物理學(xué)家正在密切關(guān)注這些相互作用強(qiáng)烈的粒子。“凝聚態(tài)”指的是由大量粒子組成且粒子間有很強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)。低溫下的超流態(tài)、超導(dǎo)態(tài)、玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)、磁介質(zhì)中的鐵磁態(tài)、反鐵磁態(tài)等都是凝聚態(tài)，它們能在半導(dǎo)體內(nèi)毫無(wú)損失地“旅行”。

　　1234這些新的帶電粒子也具有量子力學(xué)特征，即能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，因此，科學(xué)家們有望使用這些新粒子，借用肉眼可見(jiàn)的量子力學(xué)將原子物理學(xué)家的想法變?yōu)閷?shí)用設(shè)備。

　　相關(guān)例子

　　1234阿爾法衰變就是因?yàn)榘柗Ｗ訑[脫了本來(lái)不可能擺脫的強(qiáng)力的束縛而“逃出”原子核。掃描隧道顯微鏡是量子隧穿效應(yīng)的主要應(yīng)用之一。掃描隧道顯微鏡可以克服普通光學(xué)顯微鏡像差的限制，通過(guò)隧穿電子掃描物體表面，從而辨別遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的物體。

　　1234理論上，宏觀(guān)物體也能發(fā)生隧穿效應(yīng)。人也有可能穿過(guò)墻壁，但要求組成這個(gè)人的所有微觀(guān)粒子都同時(shí)穿過(guò)墻壁，其實(shí)際上幾乎是完全不可能，以至于人類(lèi)歷史以來(lái)還沒(méi)有成功的紀(jì)錄。

　　化學(xué)反應(yīng)

　　1234量子隧穿效應(yīng)也可以存在于某些化學(xué)反應(yīng)中。此類(lèi)反應(yīng)中，反應(yīng)物分子的波函數(shù)從反應(yīng)勢(shì)壘穿過(guò)即可使反應(yīng)發(fā)生，而在經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物分子只有獲得足夠能量，越過(guò)活化能的能壘，反應(yīng)才可以發(fā)生（見(jiàn)右圖）。

　　1234對(duì)于有量子隧穿效應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，可通過(guò)向阿倫尼烏斯方程中加入一個(gè)修正因子Q，將反應(yīng)速率k、溫度T和反應(yīng)的能壘E（類(lèi)似于活化能Ea）m是發(fā)生隧穿的粒子的質(zhì)量，2a是位勢(shì)壘的寬度。

　　1234從上式可以看出，發(fā)生隧穿的粒子質(zhì)量越?。ǖ虏剂_意波長(zhǎng)越大），勢(shì)壘的寬度越小（即勢(shì)壘越窄），反應(yīng)受量子隧穿效應(yīng)的影響的可能性越大。因此一般發(fā)生隧穿的都是電子、氫原子或氘原子，很少有較重元素的原子參與隧穿的。勢(shì)壘的寬度則由粒子隧穿前后所處位置之間的距離所決定，兩個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)距離越近，隧穿的程度越大。并且能壘越低，隧穿程度也越大。由于β分別與2a，和質(zhì)量m的平方根成正比，故因子Q受勢(shì)壘寬度的影響比它受粒子質(zhì)量的影響更大一些。

　　1234驗(yàn)證量子隧穿效應(yīng)存在于化學(xué)反應(yīng)中的一種方法是動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)（KIE）。在KIE實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)的一個(gè)反應(yīng)物的某一原子分別被同一元素質(zhì)量不同的同位素所標(biāo)記，分別進(jìn)行反應(yīng)，通過(guò)對(duì)比兩者的反應(yīng)速率，可以得出關(guān)于反應(yīng)機(jī)理的信息。若一個(gè)反應(yīng)的速率控制步驟涉及該同位素與其他元素形成的化學(xué)鍵的斷裂，由于越重的同位素形成的化學(xué)鍵越不容易斷裂，因此使用同一元素不同同位素標(biāo)記的反應(yīng)物參加反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)的速率也應(yīng)該是不同的，重同位素標(biāo)記的反應(yīng)物參與的反應(yīng)速率應(yīng)該較慢。如果這兩種同位素分別是氕和氘（即氫-1和氫-2），通常情況下，kH/kD的值應(yīng)該在6-10之間，也就是說(shuō)，含C-H鍵的反應(yīng)速率是含C-D鍵的反應(yīng)速率的6-10倍。但如果反應(yīng)中存在量子隧穿效應(yīng)，由于質(zhì)量m在因子Q中是處在指數(shù)位置上的，m的變化對(duì)速率的影響很大，因此kH/kD的值應(yīng)該遠(yuǎn)大于10。實(shí)驗(yàn)事實(shí)也證明了這個(gè)假設(shè)。比如在下面的反應(yīng)中，硝基丙烷的阿爾法-氫被有位阻的吡啶去質(zhì)子化，并被碘代，反應(yīng)的KIE值在25 °C時(shí)卻達(dá)到25，意味著反應(yīng)中很可能存在量子隧穿效應(yīng)。

　　1234修正項(xiàng)Q的存在，使得存在量子隧穿效應(yīng)反應(yīng)的速率k受溫度T影響很小。相對(duì)于普通的化學(xué)反應(yīng)，在溫度明顯升高或降低時(shí)，此類(lèi)反應(yīng)的速率通常不會(huì)有很明顯的變化，僅有很小的差異。低溫下，量子隧穿效應(yīng)反而更加明顯，研究此類(lèi)反應(yīng)也通常在低溫下進(jìn)行。然而，溫度的升高，使一部分分子躍遷到第二振動(dòng)能級(jí)（n=1）上，降低了勢(shì)壘寬度，使反應(yīng)速率加快。這便是速率受溫度影響不為零的緣故。

　　1234量子隧穿效應(yīng)最常見(jiàn)于有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，尤其是一些含活性中間體的反應(yīng)和某些酶催化的生化反應(yīng)。它是酶能夠顯著增加反應(yīng)速率的一種機(jī)制。酶使用量子隧穿效應(yīng)來(lái)轉(zhuǎn)移電子及氫原子、重氫原子一類(lèi)的原子核。實(shí)驗(yàn)也顯示出，在某種生理狀況下，甚至連葡萄糖氧化酶 （glucose oxydase）的氧原子核都會(huì)發(fā)生量子隧穿效應(yīng)。

　　1234質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)也是量子隧穿效應(yīng)的例子之一。

　　歷史

　　1234于 1928 年，喬治·伽莫夫正確地用量子隧穿效應(yīng)解釋了原子核的阿爾法衰變。在經(jīng)典力學(xué)里，粒子會(huì)被牢牢地束縛于原子核內(nèi)，主要是因?yàn)榱Ｗ有枰蟮哪芰浚拍芴映鲈雍说姆浅?qiáng)的位勢(shì)。所以，經(jīng)典力學(xué)無(wú)法解釋阿爾法衰變。在量子力學(xué)里，粒子不需要擁有比位勢(shì)還強(qiáng)的能量，才能逃出原子核；粒子可以概率性的穿透過(guò)位勢(shì)，因此逃出原子核位勢(shì)的束縛。伽莫夫想出一個(gè)原子核的位勢(shì)模型，借著這模型，導(dǎo)引出一個(gè)粒子的半衰期與能量的關(guān)系方程。

　　1234同時(shí)期，Ronald Gurney 和 Edward Condon 也獨(dú)立地研究出阿爾法衰變的量子隧穿效應(yīng)。不久，兩組科學(xué)隊(duì)伍都開(kāi)始研究粒子穿透入原子核的可能性。

　　1234量子隧穿理論也被應(yīng)用在其它領(lǐng)域，像電子的冷發(fā)射(cold emission)、半導(dǎo)體物理學(xué)、超導(dǎo)體物理學(xué)等等?？扉W存儲(chǔ)器的運(yùn)作原理牽涉到量子隧穿理論。超大型集成電路(VLSI integrated circuit) 的一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題就是電流泄漏。這會(huì)造成相當(dāng)大的電力流失和過(guò)熱效應(yīng)。

　　1234另外一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是掃描隧道顯微鏡。普通的顯微鏡無(wú)法觀(guān)察到很多微小尺寸的物體；可是，掃描隧道顯微鏡能夠清晰地觀(guān)察到這些物體的細(xì)節(jié)。掃描隧道顯微鏡克服了普通顯微鏡的極限問(wèn)題（像差限制，波長(zhǎng)限制等等）。它可以用隧穿電子來(lái)掃描一個(gè)物體的表面。

　　1234量子隧穿效應(yīng)明顯的化學(xué)反應(yīng)

　　1234量子隧穿效應(yīng)也可以存在于某些化學(xué)反應(yīng)中。此類(lèi)反應(yīng)中，反應(yīng)物分子的波函數(shù)從反應(yīng)勢(shì)壘穿過(guò)即可使反應(yīng)發(fā)生，而在經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物分子只有獲得足夠能量，越過(guò)活化能的能壘，反應(yīng)才可以發(fā)生。

　　1234對(duì)于有量子隧穿效應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，可通過(guò)向阿倫尼烏斯方程中加入一個(gè)修正因子Q，將反應(yīng)速率k、溫度T和反應(yīng)的能壘E（類(lèi)似于活化能Ea）聯(lián)系起來(lái)：

　　其中：

　　1234發(fā)生隧穿的粒子質(zhì)量越?。ǖ虏剂_意波長(zhǎng)越大），勢(shì)壘的寬度越?。磩?shì)壘越窄），反應(yīng)受量子隧穿效應(yīng)的影響的可能性越大。因此一般發(fā)生隧穿的都是電子、氫原子或氘原子，很少有較重元素的原子參與隧穿的。勢(shì)壘的寬度則由粒子隧穿前后所處位置之間的距離所決定，兩個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)距離越近，隧穿的程度越大。并且能壘越低，隧穿程度也越大。由于β分別與2a，和質(zhì)量m的平方根成正比，故因子Q受勢(shì)壘寬度的影響比它受粒子質(zhì)量的影響更大一些。

　　1234驗(yàn)證量子隧穿效應(yīng)存在于化學(xué)反應(yīng)中的一種方法是動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)（KIE）。在KIE實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)的一個(gè)反應(yīng)物的某一原子分別被同一元素質(zhì)量不同的同位素所標(biāo)記，分別進(jìn)行反應(yīng)，通過(guò)對(duì)比兩者的反應(yīng)速率，可以得出關(guān)于反應(yīng)機(jī)理的信息。若一個(gè)反應(yīng)的速率控制步驟涉及該同位素與其他元素形成的化學(xué)鍵的斷裂，由于越重的同位素形成的化學(xué)鍵越不容易斷裂，因此使用同一元素不同同位素標(biāo)記的反應(yīng)物參加反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)的速率也應(yīng)該是不同的，重同位素標(biāo)記的反應(yīng)物參與的反應(yīng)速率應(yīng)該較慢。如果這兩種同位素分別是氕和氘（即氫-1和氫-2），通常情況下，kH/kD的值應(yīng)該在6-10之間，也就是說(shuō)，含C-H鍵的反應(yīng)速率是含C-D鍵的反應(yīng)速率的6-10倍。但如果反應(yīng)中存在量子隧穿效應(yīng)，由于質(zhì)量m在因子Q中是處在指數(shù)位置上的，m的變化對(duì)速率的影響很大，因此kH/kD的值應(yīng)該遠(yuǎn)大于10。實(shí)驗(yàn)事實(shí)也證明了這個(gè)假設(shè)。比如在下面的反應(yīng)中，硝基丙烷的阿爾法-氫被有位阻的吡啶去質(zhì)子化，并被碘代，反應(yīng)的KIE值在25°C時(shí)卻達(dá)到25，意味著反應(yīng)中很可能存在量子隧穿效應(yīng)。

　　1234修正項(xiàng)Q的存在，使得存在量子隧穿效應(yīng)反應(yīng)的速率k受溫度T影響很小。相對(duì)于普通的化學(xué)反應(yīng)，在溫度明顯升高或降低時(shí)，此類(lèi)反應(yīng)的速率通常不會(huì)有很明顯的變化，僅有很小的差異。低溫下，量子隧穿效應(yīng)反而更加明顯，研究此類(lèi)反應(yīng)也通常在低溫下進(jìn)行。然而，溫度的升高，使一部分分子躍遷到第二振動(dòng)能級(jí)（n=1）上，降低了勢(shì)壘寬度，使反應(yīng)速率加快。這便是速率受溫度影響不為零的緣故。

　　1234量子隧穿效應(yīng)最常見(jiàn)于有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，尤其是一些含活性中間體的反應(yīng)和某些酶催化的生化反應(yīng)。它是酶能夠顯著增加反應(yīng)速率的一種機(jī)制。酶使用量子隧穿效應(yīng)來(lái)轉(zhuǎn)移電子及氫原子、重氫原子一類(lèi)的原子核。實(shí)驗(yàn)也顯示出，在某種生理狀況下，甚至連葡萄糖氧化酶(glucose oxydase) 的氧原子核都會(huì)發(fā)生量子隧穿效應(yīng)。

　　1234質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)也是量子隧穿效應(yīng)的例子之一。

　　1234有科學(xué)家認(rèn)為，化學(xué)反應(yīng)中的量子隧穿效應(yīng)是宇宙中眾多有機(jī)分子得以合成的基礎(chǔ)，也有可能是合成早期生命所需的有機(jī)化合物的重要機(jī)制。外太空中，溫度極低，并且存在著大量的氫元素和氦元素，和大量的甲醛分子作合成原料，這些因素，都有利于量子隧穿效應(yīng)的發(fā)生。通過(guò)很多類(lèi)似的反應(yīng)，可以由簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)原料，突破傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)的禁阻，合成很多復(fù)雜的有機(jī)化合物。這些有機(jī)分子很可能與生命起源有重要關(guān)聯(lián)。

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