前不久，激動(dòng)人心的2025年諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選落下帷幕。阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·蔡林格三位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，因?yàn)?strong>宏觀量子隧穿效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)而獲獎(jiǎng)。

2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三位得主

雖然獎(jiǎng)項(xiàng)的直接表彰在于驗(yàn)證了量子力學(xué)非定域性這一“世紀(jì)之爭(zhēng)”，但在我看來，他們的工作如同一把鑰匙，為我們這些在后摩爾時(shí)代迷途中探索的微電子研究者，打開了一扇通往全新世界的大門。

目前摩爾定律達(dá)到3/2 nm節(jié)點(diǎn)，芯片的制程發(fā)展放緩。當(dāng)硅基晶體管的尺寸微縮難以為繼，我們必須從新材料和新物理原理中尋找答案。而2025年諾獎(jiǎng)所代表的，正是這些“新物理原理”從理論走向?qū)嶒?yàn)、從質(zhì)疑走向應(yīng)用的偉大勝利。它深刻地告訴我們：那些曾被視為詭異的量子現(xiàn)象，不僅是真實(shí)的，更將是下一代信息技術(shù)的基石。

一、 從“微觀穿墻”到“宏觀穿越”：什么是宏觀量子隧穿？

要理解“宏觀量子隧穿”，我們首先要了解它的基礎(chǔ)——“量子隧穿效應(yīng)”。

1 微觀世界的“穿墻術(shù)”

在經(jīng)典物理的世界里，如果你面對(duì)一堵堅(jiān)實(shí)的墻，能量不夠就無法翻越。但在量子世界里，一個(gè)微觀粒子（比如一個(gè)電子）卻像掌握了“穿墻術(shù)”，即使它的能量低于墻壁（我們稱之為“勢(shì)壘”），它也有一定的概率瞬間出現(xiàn)在墻的另一側(cè)。這并非因?yàn)樗@了空子，而是由其波動(dòng)性決定的，是量子力學(xué)最核心的特征之一。

量子隧穿示意圖

2 奇跡的放大：“宏觀”量子隧穿

如果說單個(gè)電子的隧穿還算“情理之中”，那么“宏觀量子隧穿”則徹底挑戰(zhàn)了我們的經(jīng)典直覺。它指的是，由成千上萬個(gè)粒子協(xié)同一致形成的宏觀量子系統(tǒng)，作為一個(gè)整體，也能發(fā)生量子隧穿。

最典型的例子發(fā)生在超導(dǎo)電路中。在極低溫下，超導(dǎo)環(huán)中的電流是由大量電子配對(duì)形成的“庫珀對(duì)”集體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，這無疑是一個(gè)宏觀的物理量。令人驚嘆的是，這個(gè)宏觀電流也能像單個(gè)粒子一樣，通過量子隧穿，穿越一個(gè)能量勢(shì)壘。這就好比我們親眼目睹一個(gè)由無數(shù)士兵組成的方陣，沒有沖鋒，卻整體瞬間穿越了一道堅(jiān)固的城墻。

2025年諾獎(jiǎng)得主們所驗(yàn)證的量子力學(xué)非定域性，從根本上支持了這種宏觀系統(tǒng)依然遵循量子規(guī)律的觀點(diǎn)。他們的工作，為我們?cè)诤暧^尺度上設(shè)計(jì)和操控量子器件（如超導(dǎo)量子比特）提供了最堅(jiān)實(shí)的理論自信和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

二、 二維材料：觀測(cè)與應(yīng)用“穿墻術(shù)”的理想舞臺(tái)

我的研究方向，是二維材料及其在后摩爾時(shí)代微電子器件中的應(yīng)用。為什么我們?nèi)绱丝粗剡@類僅有原子層厚度的材料？一個(gè)核心原因就是，二維材料是研究和利用量子隧穿效應(yīng)，特別是實(shí)現(xiàn)新型隧穿器件的“理想舞臺(tái)”。

1 天生的隧穿結(jié)構(gòu)

二維材料最獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于其原子級(jí)平整的表面和極薄的厚度。當(dāng)我們把兩種不同的二維材料（如石墨烯和氮化硼）堆疊在一起，形成所謂的“范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)”時(shí)，其界面天然原子級(jí)銳利，可以構(gòu)造出近乎完美的、厚度可控的隧道勢(shì)壘。這為我們研究純凈、高效的量子隧穿過程提供了一個(gè)在傳統(tǒng)三維材料中難以實(shí)現(xiàn)的完美實(shí)驗(yàn)室。

2 引領(lǐng)變革的“隧穿晶體管”

基于這一原理，我們正在致力于開發(fā)一種革命性的器件——隧穿晶體管（TFET）。

傳統(tǒng)晶體管的工作原理是“翻山”，需要通過柵電壓抬升電子能量，像命令士兵翻越山丘一樣形成電流。開關(guān)過程中，能耗較高。

隧穿晶體管的工作原理則是“穿墻”。它通過控制勢(shì)壘的寬度和高度，來調(diào)控電子的隧穿概率，從而實(shí)現(xiàn)電流的開關(guān)。由于電子無需“翻山”，理論上可以大幅降低器件的工作電壓和功耗。

這正是量子力學(xué)賦予我們的全新器件設(shè)計(jì)范式。利用二維材料優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)和原子級(jí)銳利的界面，我們有望制造出性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅基晶體管的超低功耗器件，為突破后摩爾時(shí)代的功耗瓶頸提供一條充滿希望的路徑。

一種類型的TFET

三、 前瞻：從基礎(chǔ)物理到未來科技

宏觀量子隧穿效應(yīng)的價(jià)值，遠(yuǎn)不止于新型晶體管。

量子計(jì)算的基石：目前最主流的超導(dǎo)量子比特，其工作原理之一就依賴于磁通量或電荷的宏觀量子隧穿，在兩個(gè)能量狀態(tài)之間進(jìn)行相干切換。這正是將宏觀量子效應(yīng)應(yīng)用于信息處理的最直接體現(xiàn)。

量子計(jì)算機(jī)

超高靈敏度探測(cè)：基于電子隧穿電流對(duì)勢(shì)壘寬度極端的敏感性，我們可以制造出精度空前的傳感器。例如，掃描隧道顯微鏡（STM）就是利用隧穿效應(yīng)來“觸摸”和“看見”原子，而基于二維材料的隧道結(jié)有望將探測(cè)靈敏度推向新的極限。

新型能源轉(zhuǎn)換器件：量子隧穿原理在熱離子發(fā)電、高效能量收集等領(lǐng)域也展現(xiàn)出應(yīng)用前景。通過設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)，利用電子的量子隧穿來更高效地轉(zhuǎn)換熱能或光能，可能為未來的綠色能源技術(shù)開辟新途徑。

結(jié)語

2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，再次將量子力學(xué)從深?yuàn)W的理論殿堂推向了技術(shù)革命的聚光燈下。宏觀量子隧穿，這項(xiàng)在數(shù)十年前還被視為理論奇談的現(xiàn)象，如今已成為我們探索后摩爾時(shí)代微電子技術(shù)路線的關(guān)鍵武器之一。

作為研究者，我們站在一個(gè)激動(dòng)人心的歷史節(jié)點(diǎn)。我們手中的二維材料，正如探索量子世界最靈敏的探針和最精巧的積木，幫助我們將最深刻的物理原理，轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的強(qiáng)大技術(shù)引擎。這條從基礎(chǔ)物理走向未來科技的道路，正被諾獎(jiǎng)的光芒和我們不懈的求索共同照亮。

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本文作者：張宇添、田禾

作者簡介：田禾，清華大學(xué)集成電路學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)榛诙S材料（石墨烯、二硫化鉬、黑磷等）的新型微納電子器件等。

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