纳米世界中的“穿墙术”

陈思

“江湖高手”的穿墙神功

动画片《崂山道士》中的主角王生，夸耀自己学会了穿墙术，结果几经尝试，最终被撞得头破血流。这个故事被我们当作笑话来看。但是，在微观世界里，借助于量子隧穿效应，“穿墙而过”就能够实现了。

那么，什么是量子隧穿效应呢？举个例子，你的面前有一堵墙，当你想要去看看墙另外一边的风景，通常怎么办呢？翻过去！那么你翻过去所需要具备的能量，必须要大于墙最高点处的重力势能，这样才能保证你不会中途摔下来。

但是，到了微觀世界，如果这面墙的厚度薄到1 纳米的时候，而你变成一个电子大小，你就有机会“穿墙而过”，就像是从一条隧道中穿越过去一样，这就是量子隧穿效应。这面墙被称为能量势垒，也就是说，如果微观粒子遇到一个能量势垒，即使粒子的能量小于势垒高度，它也有一定的概率穿越势垒。所以，《崂山道士》的故事在量子世界里并不稀奇。

不过，值得注意的是，“穿墙”的概率和墙的厚度有着非常敏感的关系，墙的厚度每增加0.1 纳米，“穿墙术”成功的可能性就会降低至1/10。

探索纳米世界的扫描隧道显微镜

随着科学技术的发展，量子隧穿效应不仅仅用于解释物理现象，它的应用已经渗透到科学的各个领域乃至我们的日常生活之中，并以此为基础诞生了形形色色的隧穿器件和仪器装置。扫描隧道显微镜就是一个典型的例子。

扫描隧道显微镜可以帮助我们了解材料的微观形貌，对于物质结构与性质的探查具有重要意义。

扫描隧道显微镜里的原子探针极细，其针尖位置往往只有一颗原子。和普通的显微镜不一样，它并不能直接“看”到物体，而是通过上面的探针一点点把物体的轮廓“摸”出来。而且这个“摸”也不是真的摸，原子探针在工作时其实并不接触被扫描的样品，而是从样品头顶轻轻地掠过，通过针尖与样品之间的隧穿电流来探测样品表面的信息。

这是如何实现的呢？其实，针尖与样品之间存在一个绝缘的真空层，由于隧穿的概率与“墙”的厚度有着非常敏感的关系，所以，当我们检测出隧穿电流，就等于知道了探针尖端和样品表面之间的距离。如果我们保持这个距离不变，探针在扫描过程中就会随着样品表面的起伏而起伏。这样我们就可以根据针尖在每个位置上的高度，描绘出样品的形貌，实现成像了。

知识拓展

我会“穿墙术”——中微子

中微子是组成自然界的基本粒子之一。宇宙大爆炸产生了大量的中微子，太阳和核电站也会产生中微子。

中微子是名副其实的“幽灵粒子”，它能够悄无声息地穿过人体和墙壁，每时每刻都有超过1000 亿个中微子穿过地球上的每一个平方厘米的面积，包括此刻你的身体，但你毫无知觉，是真正的如入无人之境。

伽马射线可以穿透20厘米厚的铅板，但与中微子的穿透力相比，就是小巫见大巫了。中微子具有极强的穿透力，高能中微子几乎可以穿梭整个宇宙。科学家设想利用中微子的这种特点，来做地球断层扫描，让埋在地球深处的奥秘一览无遗;还设想让中微子穿透地球传送信息，这样长距离通信就可以不用经过卫星和地面站兜圈子了。

扫描隧道显微镜不但可以用来观察材料表面的原子排列，而且能用来移动原子：用针尖吸住一个孤立原子，然后把它放到另一个位置。这就迈出了人类用单个原子这样的“砖块”来建造物质“大厦”的第一步。相信随着技术的不断发展，扫描隧道显微镜将有更广阔的的应用前景。