納米世界中的“穿墻術(shù)”

陳思

“江湖高手”的穿墻神功

動畫片《嶗山道士》中的主角王生，夸耀自己學(xué)會了穿墻術(shù)，結(jié)果幾經(jīng)嘗試，最終被撞得頭破血流。這個故事被我們當(dāng)作笑話來看。但是，在微觀世界里，借助于量子隧穿效應(yīng)，“穿墻而過”就能夠?qū)崿F(xiàn)了。

那么，什么是量子隧穿效應(yīng)呢？舉個例子，你的面前有一堵墻，當(dāng)你想要去看看墻另外一邊的風(fēng)景，通常怎么辦呢？翻過去！那么你翻過去所需要具備的能量，必須要大于墻最高點(diǎn)處的重力勢能，這樣才能保證你不會中途摔下來。

但是，到了微觀世界，如果這面墻的厚度薄到1 納米的時(shí)候，而你變成一個電子大小，你就有機(jī)會“穿墻而過”，就像是從一條隧道中穿越過去一樣，這就是量子隧穿效應(yīng)。這面墻被稱為能量勢壘，也就是說，如果微觀粒子遇到一個能量勢壘，即使粒子的能量小于勢壘高度，它也有一定的概率穿越勢壘。所以，《嶗山道士》的故事在量子世界里并不稀奇。

不過，值得注意的是，“穿墻”的概率和墻的厚度有著非常敏感的關(guān)系，墻的厚度每增加0.1 納米，“穿墻術(shù)”成功的可能性就會降低至1/10。

探索納米世界的掃描隧道顯微鏡

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，量子隧穿效應(yīng)不僅僅用于解釋物理現(xiàn)象，它的應(yīng)用已經(jīng)滲透到科學(xué)的各個領(lǐng)域乃至我們的日常生活之中，并以此為基礎(chǔ)誕生了形形色色的隧穿器件和儀器裝置。掃描隧道顯微鏡就是一個典型的例子。

掃描隧道顯微鏡可以幫助我們了解材料的微觀形貌，對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的探查具有重要意義。

掃描隧道顯微鏡里的原子探針極細(xì)，其針尖位置往往只有一顆原子。和普通的顯微鏡不一樣，它并不能直接“看”到物體，而是通過上面的探針一點(diǎn)點(diǎn)把物體的輪廓“摸”出來。而且這個“摸”也不是真的摸，原子探針在工作時(shí)其實(shí)并不接觸被掃描的樣品，而是從樣品頭頂輕輕地掠過，通過針尖與樣品之間的隧穿電流來探測樣品表面的信息。

這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？其實(shí)，針尖與樣品之間存在一個絕緣的真空層，由于隧穿的概率與“墻”的厚度有著非常敏感的關(guān)系，所以，當(dāng)我們檢測出隧穿電流，就等于知道了探針尖端和樣品表面之間的距離。如果我們保持這個距離不變，探針在掃描過程中就會隨著樣品表面的起伏而起伏。這樣我們就可以根據(jù)針尖在每個位置上的高度，描繪出樣品的形貌，實(shí)現(xiàn)成像了。

知識拓展

我會“穿墻術(shù)”——中微子

中微子是組成自然界的基本粒子之一。宇宙大爆炸產(chǎn)生了大量的中微子，太陽和核電站也會產(chǎn)生中微子。

中微子是名副其實(shí)的“幽靈粒子”，它能夠悄無聲息地穿過人體和墻壁，每時(shí)每刻都有超過1000 億個中微子穿過地球上的每一個平方厘米的面積，包括此刻你的身體，但你毫無知覺，是真正的如入無人之境。

伽馬射線可以穿透20厘米厚的鉛板，但與中微子的穿透力相比，就是小巫見大巫了。中微子具有極強(qiáng)的穿透力，高能中微子幾乎可以穿梭整個宇宙。科學(xué)家設(shè)想利用中微子的這種特點(diǎn)，來做地球斷層掃描，讓埋在地球深處的奧秘一覽無遺;還設(shè)想讓中微子穿透地球傳送信息，這樣長距離通信就可以不用經(jīng)過衛(wèi)星和地面站兜圈子了。

掃描隧道顯微鏡不但可以用來觀察材料表面的原子排列，而且能用來移動原子：用針尖吸住一個孤立原子，然后把它放到另一個位置。這就邁出了人類用單個原子這樣的“磚塊”來建造物質(zhì)“大廈”的第一步。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，掃描隧道顯微鏡將有更廣闊的的應(yīng)用前景。