第一作者：Xue Jiang（伯克利，復(fù)旦大學(xué)）, Chengzhi Shi（伯克利，GIT）
通訊作者單位：加州大學(xué)伯克利分校/香港大學(xué)隧穿(Tunneling)在許多物理學(xué)相關(guān)分支過(guò)程中至關(guān)重要，而且展現(xiàn)了各種應(yīng)用。理論上來(lái)看，當(dāng)準(zhǔn)粒子表現(xiàn)為不受高度/寬度阻礙的穿透能力時(shí)，通常認(rèn)為其展示出Klein隧穿。從理論上這種隧穿得到了驗(yàn)證，但是在實(shí)驗(yàn)中直接發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象還沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。有鑒于此，研究出神奇隱形衣的加州大學(xué)伯克利分校/香港大學(xué)張翔院士等人又展示了奇思妙想的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同Dirac能量的兩種人工光子晶體組成異質(zhì)結(jié)屏障結(jié)構(gòu)，直接觀測(cè)到標(biāo)志性的統(tǒng)一傳輸特征，驗(yàn)證了Klein隧穿效應(yīng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)這種Klein隧穿能夠在廣泛的聲波頻率中進(jìn)行。這是首次在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到Klein隧穿現(xiàn)象。這種光子晶體Klein隧穿可能用于信號(hào)處理、超準(zhǔn)直光束、通訊等過(guò)程。Klein隧穿是一種基于動(dòng)量贗自旋鎖定的凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)，在無(wú)質(zhì)量Dirac準(zhǔn)粒子的散射過(guò)程中保持贗自旋守恒。這個(gè)贗自旋物理學(xué)過(guò)程展示了Dirac準(zhǔn)粒子的本征模式的實(shí)空間子晶格中，激勵(lì)幅度的相對(duì)相位放大。類比在石墨烯體系中的化學(xué)摻雜、柵極摻雜，作者通過(guò)將兩種不同Dirac點(diǎn)能量的人工光子晶體組成三明治夾心結(jié)構(gòu)，形成了n-p-n型異質(zhì)結(jié)屏障結(jié)構(gòu)。在該體系中在較寬頻率區(qū)間內(nèi)成功觀測(cè)到Klein隧穿現(xiàn)象。這種Klein隧穿為探索復(fù)雜、奇異物理學(xué)現(xiàn)象提供了簡(jiǎn)單方便的平臺(tái)。圖1. (A, B) 光子晶體屏障結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、(C) 能帶結(jié)構(gòu)搭建了兩種準(zhǔn)微粒用于構(gòu)建光子晶體，高度統(tǒng)一為15 mm，直徑分別為14 mm、24 mm的準(zhǔn)微粒。準(zhǔn)微粒的不同直徑用于模擬不同能量的Dirac點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同直徑的模擬Dirac點(diǎn)之間產(chǎn)生652 Hz的能量壘勢(shì)（兩個(gè)Dirac點(diǎn)分別為6380 Hz、7032 Hz）。圖3. Dirac準(zhǔn)微粒直徑和Dirac能量的線性關(guān)系考察6800 Hz的聲平面波在穿越Dirac異質(zhì)結(jié)過(guò)程中的行為，發(fā)現(xiàn)入射平面聲波在穿越異質(zhì)結(jié)過(guò)程前后，聲波的形貌沒(méi)有發(fā)生變化。隨后考察了聲波穿越異質(zhì)結(jié)過(guò)程中的傳輸率（transmission rate）。當(dāng)異質(zhì)結(jié)的寬度分別為D=11.2 mm, 14 mm, 16.8 mm時(shí)，測(cè)得傳輸率分別為94.3 %，96.7 %，94.6 %，該結(jié)果和通過(guò)有限元模擬的結(jié)果相符（97.1 %，96.0 %，93.8 %）。進(jìn)一步的，作者通過(guò)調(diào)控準(zhǔn)微粒圓柱直徑、調(diào)控聲波頻率，驗(yàn)證了這種Klein隧穿效應(yīng)的廣泛性。張翔，1963年12月出生于中國(guó)江蘇省南京市，光電學(xué)家，美國(guó)國(guó)家工程院院士、中國(guó)科學(xué)院外籍院士，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Ernest S. Kuh Chaired教授、機(jī)械工程系主任，香港大學(xué)校長(zhǎng)。分別在1985年、1988年獲得南京大學(xué)物理學(xué)院學(xué)士、碩士學(xué)位，1996年獲得美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械工程系博士學(xué)位并且在賓夕法尼亞州立大學(xué)任助理教授，1999年在起在加州大學(xué)洛杉磯分校任教。2008年發(fā)明的納米隱身衣被美國(guó)《時(shí)代周刊》列入全球十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。2015年當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院外籍院士。2017年12月15日被任命為香港大學(xué)第16任校長(zhǎng)，任期五年。Xue Jiang, Chengzhi Shi, Zhenglu Li, Siqi Wang, Yuan Wang, Sui Yang, Steven G. Louie, Xiang Zhang*, Direct observation of Klein tunneling in phononic crystals, Science 2020, 370, 6523, 1447-1450DOI: 10.1126/science.abe2011https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1447
