前不久，激動人心的2025年諾貝爾獎評選落下帷幕。阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·蔡林格三位實驗物理學家，因為宏觀量子隧穿效應的發(fā)現而獲獎。

2025年諾貝爾物理學獎三位得主

雖然獎項的直接表彰在于驗證了量子力學非定域性這一“世紀之爭”，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。

目前摩爾定律達到3/2 nm節(jié)點，芯片的制程發(fā)展放緩。當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年諾獎所代表的，正是這些“新物理原理”從理論走向實驗、從質疑走向應用的偉大勝利。它深刻地告訴我們：那些曾被視為詭異的量子現象，不僅是真實的，更將是下一代信息技術的基石。

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——“量子隧穿效應”。

1 微觀世界的“穿墻術”

在經典物理的世界里，如果你面對一堵堅實的墻，能量不夠就無法翻越。但在量子世界里，一個微觀粒子（比如一個電子）卻像掌握了“穿墻術”，即使它的能量低于墻壁（我們稱之為“勢壘”），它也有一定的概率瞬間出現在墻的另一側。這并非因為它鉆了空子，而是由其波動性決定的，是量子力學最核心的特征之一。

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)了我們的經典直覺。它指的是，由成千上萬個粒子協(xié)同一致形成的宏觀量子系統(tǒng)，作為一個整體，也能發(fā)生量子隧穿。

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

2025年諾獎得主們所驗證的量子力學非定域性，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。他們的工作，為我們在宏觀尺度上設計和操控量子器件（如超導量子比特）提供了最堅實的理論自信和實驗依據。

二、 二維材料：觀測與應用“穿墻術”的理想舞臺

我的研究方向，是二維材料及其在后摩爾時代微電子器件中的應用。為什么我們如此看重這類僅有原子層厚度的材料？一個核心原因就是，二維材料是研究和利用量子隧穿效應，特別是實現新型隧穿器件的“理想舞臺”。

1 天生的隧穿結構

二維材料最獨特的優(yōu)勢在于其原子級平整的表面和極薄的厚度。當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“范德瓦爾斯異質結”時，其界面天然原子級銳利，可以構造出近乎完美的、厚度可控的隧道勢壘。這為我們研究純凈、高效的量子隧穿過程提供了一個在傳統(tǒng)三維材料中難以實現的完美實驗室。

2 引領變革的“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”。它通過控制勢壘的寬度和高度，來調控電子的隧穿概率，從而實現電流的開關。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。

這正是量子力學賦予我們的全新器件設計范式。利用二維材料優(yōu)異的電學性質和原子級銳利的界面，我們有望制造出性能遠超傳統(tǒng)硅基晶體管的超低功耗器件，為突破后摩爾時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：從基礎物理到未來科技

宏觀量子隧穿效應的價值，遠不止于新型晶體管。

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

量子計算機

超高靈敏度探測：基于電子隧穿電流對勢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）就是利用隧穿效應來“觸摸”和“看見”原子，而基于二維材料的隧道結有望將探測靈敏度推向新的極限。

新型能源轉換器件：量子隧穿原理在熱離子發(fā)電、高效能量收集等領域也展現出應用前景。通過設計納米結構，利用電子的量子隧穿來更高效地轉換熱能或光能，可能為未來的綠色能源技術開辟新途徑。

結語

2025年諾貝爾物理學獎，再次將量子力學從深奧的理論殿堂推向了技術革命的聚光燈下。宏觀量子隧穿，這項在數十年前還被視為理論奇談的現象，如今已成為我們探索后摩爾時代微電子技術路線的關鍵武器之一。

作為研究者，我們站在一個激動人心的歷史節(jié)點。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，轉化為驅動社會進步的強大技術引擎。這條從基礎物理走向未來科技的道路，正被諾獎的光芒和我們不懈的求索共同照亮。

內容為【科技導報】公眾號原創(chuàng)，歡迎轉載
白名單回復后臺「轉載」

本文作者：張宇添、田禾

作者簡介：田禾，清華大學集成電路學院，副教授，研究方向為基于二維材料（石墨烯、二硫化鉬、黑磷等）的新型微納電子器件等。

內容為【科技導報】公眾號原創(chuàng)，歡迎轉載
白名單回復后臺「轉載」

《科技導報》創(chuàng)刊于1980年，中國科協(xié)學術會刊，主要刊登科學前沿和技術熱點領域突破性的研究成果、權威性的科學評論、引領性的高端綜述，發(fā)表促進經濟社會發(fā)展、完善科技管理、優(yōu)化科研環(huán)境、培育科學文化、促進科技創(chuàng)新和科技成果轉化的決策咨詢建議。常設欄目有院士卷首語、科技新聞、科技評論、本刊專稿、特色專題、研究論文、政策建議、科技人文等。