image: 在“反Klein隧穿”中，声波如撞墙般被完全反射；而在“Klein隧穿”中，声波可毫无阻碍地穿越势垒，仿佛“看不见”的墙体。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
在一项突破性实验中，来自天津大学、浙江大学、东北大学和中国科学技术大学的研究人员首次直接观测到“反Klein隧穿”（AKT）现象——这一量子悖论描述的是手性粒子在遇到势垒时并非穿越，而是被完全反射。令人惊奇的是，这一长期追寻的类量子行为并非通过电子系统实现，而是依托一种特殊设计的双层声子晶体结构，利用工程化声波实现了类粒子的反常隧穿响应。
“Klein隧穿”是量子物理中的一个著名悖论：质量为零的相对论粒子可以无视能垒的存在，自由穿越而不发生反射。与之相对的“反Klein隧穿”则预言：对于具有“手性”特征的有质量粒子，能垒会导致完全反射。这种奇特的传播行为长期以来仅存在于理论推演和间接证据中，始终缺乏实验验证。
该研究中，团队设计了一种结构可调的双层声子晶体，在其声学色散关系中引入了手性与质量，使系统中的声子类比于双层石墨烯中的手性准粒子。当声波遇到由此构成的势垒结构时，传播行为取决于结构参数的调控：在特定配置下，声波被完全反射，即出现反Klein隧穿；而在另一配置下，则可以实现完全穿透，即Klein隧穿。
通过调节层间耦合、层内厚度等结构参数，研究人员实现了对传输率从100%到0%的连续控制，在实验中清晰呈现了由Klein隧穿向反Klein隧穿的过渡过程，波场分布与理论预言高度一致。
“我们用声波复现了一个长期悬而未解的量子悖论。” 项目通讯作者之一、浙江大学李鹰教授表示，“这是一个将抽象物理现象可视化、工程化的漂亮例子。”
与传统电子系统相比，声子晶体具备多项优势：结构可视化强、传播损耗低、参数可实时调节，无需低温或强磁等苛刻条件。这使其在拓扑声学、波动逻辑器件、类量子信息处理等前沿领域具备广阔应用潜力。
“我们不仅验证了一个基本物理预言，也为未来构建新型功能型材料与器件提供了灵活的实验平台。” 天津大学丁千教授指出。
随着人工微结构设计与声学探测技术的持续进步，类似系统有望在探索量子与经典的交叉领域，推动下一代波动调控技术的发展中发挥关键作用。