从2025年诺贝尔物理学奖谈起：量子现象如何照亮后摩尔时代的芯片迷途

前不久，激动人心的2025年诺贝尔奖评选落下帷幕。阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格三位实验物理学家，因为宏观量子隧穿效应的发现而获奖。

2025年诺贝尔物理学奖三位得主

虽然奖项的直接表彰在于验证了量子力学非定域性这一“世纪之争”，但在我看来，他们的工作如同一把钥匙，为我们这些在后摩尔时代迷途中探索的微电子研究者，打开了一扇通往全新世界的大门。

目前摩尔定律达到3/2 nm节点，芯片的制程发展放缓。当硅基晶体管的尺寸微缩难以为继，我们必须从新材料和新物理原理中寻找答案。而2025年诺奖所代表的，正是这些“新物理原理”从理论走向实验、从质疑走向应用的伟大胜利。它深刻地告诉我们：那些曾被视为诡异的量子现象，不仅是真实的，更将是下一代信息技术的基石。

一、 从“微观穿墙”到“宏观穿越”：什么是宏观量子隧穿？

要理解“宏观量子隧穿”，我们首先要了解它的基础——“量子隧穿效应”。

1 微观世界的“穿墙术”

在经典物理的世界里，如果你面对一堵坚实的墙，能量不够就无法翻越。但在量子世界里，一个微观粒子（比如一个电子）却像掌握了“穿墙术”，即使它的能量低于墙壁（我们称之为“势垒”），它也有一定的概率瞬间出现在墙的另一侧。这并非因为它钻了空子，而是由其波动性决定的，是量子力学最核心的特征之一。

量子隧穿示意图

2 奇迹的放大：“宏观”量子隧穿

如果说单个电子的隧穿还算“情理之中”，那么“宏观量子隧穿”则彻底挑战了我们的经典直觉。它指的是，由成千上万个粒子协同一致形成的宏观量子系统，作为一个整体，也能发生量子隧穿。

最典型的例子发生在超导电路中。在极低温下，超导环中的电流是由大量电子配对形成的“库珀对”集体运动产生的，这无疑是一个宏观的物理量。令人惊叹的是，这个宏观电流也能像单个粒子一样，通过量子隧穿，穿越一个能量势垒。这就好比我们亲眼目睹一个由无数士兵组成的方阵，没有冲锋，却整体瞬间穿越了一道坚固的城墙。

2025年诺奖得主们所验证的量子力学非定域性，从根本上支持了这种宏观系统依然遵循量子规律的观点。他们的工作，为我们在宏观尺度上设计和操控量子器件（如超导量子比特）提供了最坚实的理论自信和实验依据。

二、 二维材料：观测与应用“穿墙术”的理想舞台

我的研究方向，是二维材料及其在后摩尔时代微电子器件中的应用。为什么我们如此看重这类仅有原子层厚度的材料？一个核心原因就是，二维材料是研究和利用量子隧穿效应，特别是实现新型隧穿器件的“理想舞台”。

1 天生的隧穿结构

二维材料最独特的优势在于其原子级平整的表面和极薄的厚度。当我们把两种不同的二维材料（如石墨烯和氮化硼）堆叠在一起，形成所谓的“范德瓦尔斯异质结”时，其界面天然原子级锐利，可以构造出近乎完美的、厚度可控的隧道势垒。这为我们研究纯净、高效的量子隧穿过程提供了一个在传统三维材料中难以实现的完美实验室。

2 引领变革的“隧穿晶体管”

基于这一原理，我们正在致力于开发一种革命性的器件——隧穿晶体管（TFET）。

传统晶体管的工作原理是“翻山”，需要通过栅电压抬升电子能量，像命令士兵翻越山丘一样形成电流。开关过程中，能耗较高。

隧穿晶体管的工作原理则是“穿墙”。它通过控制势垒的宽度和高度，来调控电子的隧穿概率，从而实现电流的开关。由于电子无需“翻山”，理论上可以大幅降低器件的工作电压和功耗。

这正是量子力学赋予我们的全新器件设计范式。利用二维材料优异的电学性质和原子级锐利的界面，我们有望制造出性能远超传统硅基晶体管的超低功耗器件，为突破后摩尔时代的功耗瓶颈提供一条充满希望的路径。

一种类型的TFET

三、 前瞻：从基础物理到未来科技

宏观量子隧穿效应的价值，远不止于新型晶体管。

量子计算的基石：目前最主流的超导量子比特，其工作原理之一就依赖于磁通量或电荷的宏观量子隧穿，在两个能量状态之间进行相干切换。这正是将宏观量子效应应用于信息处理的最直接体现。

量子计算机

超高灵敏度探测：基于电子隧穿电流对势垒宽度极端的敏感性，我们可以制造出精度空前的传感器。例如，扫描隧道显微镜（STM）就是利用隧穿效应来“触摸”和“看见”原子，而基于二维材料的隧道结有望将探测灵敏度推向新的极限。

新型能源转换器件：量子隧穿原理在热离子发电、高效能量收集等领域也展现出应用前景。通过设计纳米结构，利用电子的量子隧穿来更高效地转换热能或光能，可能为未来的绿色能源技术开辟新途径。

结语

2025年诺贝尔物理学奖，再次将量子力学从深奥的理论殿堂推向了技术革命的聚光灯下。宏观量子隧穿，这项在数十年前还被视为理论奇谈的现象，如今已成为我们探索后摩尔时代微电子技术路线的关键武器之一。

作为研究者，我们站在一个激动人心的历史节点。我们手中的二维材料，正如探索量子世界最灵敏的探针和最精巧的积木，帮助我们将最深刻的物理原理，转化为驱动社会进步的强大技术引擎。这条从基础物理走向未来科技的道路，正被诺奖的光芒和我们不懈的求索共同照亮。

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本文作者：张宇添、田禾

作者简介：田禾，清华大学集成电路学院，副教授，研究方向为基于二维材料（石墨烯、二硫化钼、黑磷等）的新型微纳电子器件等。

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