在克萊因隧穿過程中，帶負電荷的電子(顏色鮮豔的球體)可以完美地穿過勢壘。想像你正在行走，遇到了一個障礙物，比如一座小山或一堵牆。要爬到對岸，唯一的辦法就是爬上去，爬過去。但是如果你擁有和量子粒子一樣的超能力呢？
量子力學的奇怪定律有時允許粒子突破障礙，就像它們不存在一樣。但是，隨著障礙越來越堅固，穿越這些屏障的難度也越來越大，這就使得能夠穿透屏障的粒子越來越少。然而，量子隧穿的一個特殊例子——克萊因隧穿——改變了「遊戲規則」。它有效地使屏障透明，打開了允許粒子通過的門戶，即使非常厚的牆壁也不能擋住它們的道路。
近100年前，瑞典物理學家奧斯卡·克萊因首次預言了這一現象。然而直到最近，科學家們才發現了非常有限的跡象。在6月19日發表在《自然》雜誌上的一項研究中，一個跨學科的研究小組提出了克萊因隧道效應的直接證據。
這項研究並不是第一個直接觀察到這種效應的研究。「克萊因隧穿在石墨烯中得到了很好的證明，」史丹福大學的物理學家大衛·戈德哈伯-戈登說。馬裡蘭大學帕克分校材料科學家、工程師、這項新研究的資深作者竹內一郎說，在這一發現之前，人們並沒有真正考慮尋找克萊因隧道現象的實驗證據，而是「把它束之高閣」。然而，底特律韋恩州立大學物理學家鮑裡斯納德戈尼表示：「目前的研究結果比石墨烯研究更直接。」
這一發現可能更令人震驚，因為研究人員並沒有打算觀察這一現象的實際情況。「這個項目源於我們對拓撲絕緣體的研究，」馬裡蘭大學物理學家、該研究的合著者約翰皮埃爾·帕格裡昂說。拓撲絕緣體是一種奇怪的材料，內部絕緣，但表面導電。
在過去的幾年裡，他和他的同事研究了一種叫做六硼化釤的材料，並努力證明它是一種拓撲絕緣體。他們正在尋找六硼化釤表現出量子行為的跡象，這是證明材料確實是拓撲絕緣體的一個重要方面。
研究人員將六硼化釤薄膜覆蓋在另一種化合物上，這種化合物在低溫下會變成超導體——一種可以無電阻導電的材料。當它們把所有的東西冷卻到絕對零度(-273.15攝氏度)以上幾度時，第二種材料變成了超導體，由於它們的緊密接觸，六硼化釤的金屬表面也變成了超導體。然後，科學家們將一個微小的金屬尖端接觸六硼化釤的表面，研究電子是如何進入第二種材料的。
在金屬和超導體之間的每一個邊界，都會發生一種特殊類型的反射，稱為安德烈夫反射，這是由於超導體中的電子只成對存在。就像兩個人在三條腿的比賽中一樣，當一個電子從金屬跳躍到超導體時，它必須帶上一個「夥伴」。然而，由於在系統中電荷必須是平衡的，一個帶正電荷的「空穴」(本質上，本來應該有電子的地方沒有電子)必須從超導體跳回到金屬上。
研究人員通過測量系統的電導來解釋電子和「空穴」的運動。如果每個試圖躍入超導體的電子都成功了，那麼電導就會加倍。然而，這通常不會發生，因為在大多數情況下，一些電子沒有足夠的能量躍遷。能量較低的電子從金屬和超導體之間的邊界反射回來，使系統的電導超過100%，但還不到原來的兩倍。
令研究人員震驚的是，在六硼化釤實驗中，電導率完美地增加了一倍。研究小組找到了馬裡蘭大學的理論物理學家維克多·加利茨基，得到了一些奇怪的結果，這些結果在反覆試驗中得到了證實。他認為克萊因隧穿使所有電子都能鑽過兩種材料之間的物理界面。另一個與電子自旋有關的守恆定律阻止了那些沒有能量躍過勢壘的電子簡單地回到它們原來的位置，所以它們「必須通過隧道」，他說，這導致了完美的電導加倍。
納德戈尼說：「這些令人興奮的結果通過實驗證明，在拓撲絕緣體六硼化釤中的正常點接觸和近似誘導超導體之間存在完美的安德烈夫反射。」他補充說：「這項研究將這些意想不到的、優雅的結果與正常(電子)散射的缺乏聯繫起來。正常散射是克萊因隧穿現象的關鍵表現之一。」
既然研究人員已經證明了這種量子怪癖，他們希望利用他們的發現改進傳統的計算機組件，甚至為未來的量子設備創造材料。他說，利用電子的隧穿能力可以幫助設計「完美的電晶體」，甚至可以解決量子計算機中的結問題。