在克莱因隧穿过程中，带负电荷的电子(颜色鲜艳的球体)可以完美地穿过势垒。
想象你正在行走，遇到了一个障碍物，比如一座小山或一堵墙。要爬到对岸，唯一的办法就是爬上去，爬过去。但是如果你拥有和量子粒子一样的超能力呢？
量子力学的奇怪定律有时允许粒子突破障碍，就像它们不存在一样。但是，随着障碍越来越坚固，穿越这些屏障的难度也越来越大，这就使得能够穿透屏障的粒子越来越少。然而，量子隧穿的一个特殊例子——克莱因隧穿——改变了“游戏规则”。它有效地使屏障透明，打开了允许粒子通过的门户，即使非常厚的墙壁也不能挡住它们的道路。
近100年前，瑞典物理学家奥斯卡·克莱因首次预言了这一现象。然而直到最近，科学家们才发现了非常有限的迹象。在6月19日发表在《自然》杂志上的一项研究中，一个跨学科的研究小组提出了克莱因隧道效应的直接证据。
这项研究并不是第一个直接观察到这种效应的研究。“克莱因隧穿在石墨烯中得到了很好的证明，”斯坦福大学的物理学家大卫·戈德哈伯-戈登说。马里兰大学帕克分校材料科学家、工程师、这项新研究的资深作者竹内一郎说，在这一发现之前，人们并没有真正考虑寻找克莱因隧道现象的实验证据，而是“把它束之高阁”。然而，底特律韦恩州立大学物理学家鲍里斯纳德戈尼表示：“目前的研究结果比石墨烯研究更直接。”
这一发现可能更令人震惊，因为研究人员并没有打算观察这一现象的实际情况。“这个项目源于我们对拓扑绝缘体的研究，”马里兰大学物理学家、该研究的合著者约翰皮埃尔·帕格里昂说。拓扑绝缘体是一种奇怪的材料，内部绝缘，但表面导电。
在过去的几年里，他和他的同事研究了一种叫做六硼化钐的材料，并努力证明它是一种拓扑绝缘体。他们正在寻找六硼化钐表现出量子行为的迹象，这是证明材料确实是拓扑绝缘体的一个重要方面。
研究人员将六硼化钐薄膜覆盖在另一种化合物上，这种化合物在低温下会变成超导体——一种可以无电阻导电的材料。当它们把所有的东西冷却到绝对零度(-273.15摄氏度)以上几度时，第二种材料变成了超导体，由于它们的紧密接触，六硼化钐的金属表面也变成了超导体。然后，科学家们将一个微小的金属尖端接触六硼化钐的表面，研究电子是如何进入第二种材料的。
在金属和超导体之间的每一个边界，都会发生一种特殊类型的反射，称为安德烈夫反射，这是由于超导体中的电子只成对存在。就像两个人在三条腿的比赛中一样，当一个电子从金属跳跃到超导体时，它必须带上一个“伙伴”。然而，由于在系统中电荷必须是平衡的，一个带正电荷的“空穴”(本质上，本来应该有电子的地方没有电子)必须从超导体跳回到金属上。
研究人员通过测量系统的电导来解释电子和“空穴”的运动。如果每个试图跃入超导体的电子都成功了，那么电导就会加倍。然而，这通常不会发生，因为在大多数情况下，一些电子没有足够的能量跃迁。能量较低的电子从金属和超导体之间的边界反射回来，使系统的电导超过100%，但还不到原来的两倍。
令研究人员震惊的是，在六硼化钐实验中，电导率完美地增加了一倍。研究小组找到了马里兰大学的理论物理学家维克多·加利茨基，得到了一些奇怪的结果，这些结果在反复试验中得到了证实。他认为克莱因隧穿使所有电子都能钻过两种材料之间的物理界面。另一个与电子自旋有关的守恒定律阻止了那些没有能量跃过势垒的电子简单地回到它们原来的位置，所以它们“必须通过隧道”，他说，这导致了完美的电导加倍。
纳德戈尼说：“这些令人兴奋的结果通过实验证明，在拓扑绝缘体六硼化钐中的正常点接触和近似诱导超导体之间存在完美的安德烈夫反射。”他补充说：“这项研究将这些意想不到的、优雅的结果与正常(电子)散射的缺乏联系起来。正常散射是克莱因隧穿现象的关键表现之一。”
既然研究人员已经证明了这种量子怪癖，他们希望利用他们的发现改进传统的计算机组件，甚至为未来的量子设备创造材料。他说，利用电子的隧穿能力可以帮助设计“完美的晶体管”，甚至可以解决量子计算机中的结问题。
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