[科普中國]-真空隧穿

在微觀世界里，量子力學(xué)的定律引發(fā)了奇特的現(xiàn)象，在一定條件下電子可以穿過勢壘向真空發(fā)射，這稱為“真空隧穿”。實際上電子還可以神奇地穿過薄的絕緣層，這在經(jīng)典力學(xué)中更是不可想像的。如果兩個金屬電極之間有一個極薄的絕緣層(這個絕緣層可以用現(xiàn)代的技術(shù)得到，約1納米厚)，被稱為“隧道結(jié)(tunneljunction)”。

隧穿的概念當(dāng)電子或其它微觀粒子(例如質(zhì)子和中子等)從勢壘的一邊入射時，即使它們不具有足夠的動能從勢壘頂部翻越過勢壘，它們?nèi)匀荒軌蛟趧輭救肷涞囊贿呄Ф趧輭镜牧硪贿叧霈F(xiàn)．這種現(xiàn)象形象地稱之為微觀粒子隧道貫穿通過勢壘或隧穿勢壘．但要注意：在一般情況下只有當(dāng)勢壘寬度與微觀粒子的德布洛意波長可比擬時，隧穿勢壘的現(xiàn)象才顯著得可以被觀測到。

微觀粒子隧穿勢壘是粒子波動性的一種表現(xiàn)，根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，表示微觀粒子狀態(tài)的波函數(shù)將延展到整個空間，它們在那些勢能有限不連續(xù)點(diǎn)處也是光滑連續(xù)的．因此，雖然粒子的動能小于勢壘的高度，它們?nèi)匀豢梢猿霈F(xiàn)在按照經(jīng)典力學(xué)是禁戒的勢壘區(qū)域內(nèi)并穿過勢壘區(qū)，于是隧穿勢壘現(xiàn)象就發(fā)生了，必須強(qiáng)調(diào)的是隧穿過程遵從能量守恒和動量(或準(zhǔn)動量)守恒定律。1

真空隧穿法檢測懸梁的偏轉(zhuǎn)由真空間隙分開的兩個金屬電極之間的隧道電流的變化是每埃一個數(shù)量級。因此，真空隧穿可提供一種探測微位移的極端靈敏的方法。由Binnig，Quate和Gerber(1986)演示的第一個AFM，就利用真空隧穿來探測懸臂的偏轉(zhuǎn)。

具有隧道偏轉(zhuǎn)探測器的AFM的示意圖見下圖。

一個具有針尖的柔軟而能回復(fù)原位的桿子夾在樣品與另一個針尖之間，第二個針尖用于隧道過程。除了樣品的x，y和z1掃描器之外，另一個壓電元件z2用以控制隧道針尖(針尖2)和桿子背面之間的距離。用一個粗調(diào)定位機(jī)構(gòu)(未表示)和2壓電元件，對力靈敏的針尖(針尖1)與樣品表面進(jìn)入輕度接觸，而隧道針尖對桿子背面進(jìn)入真空隧穿的探測距離。當(dāng)樣品作光柵掃描時，針尖2與桿子之間的隧道電流與一個參考電流作比較，其差值作為對2。壓電元件的反饋訊號。事實上，如要求隧道電流是一個定值，則懸臂的偏轉(zhuǎn)以及作用在桿子上的力就保持恒定。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學(xué)