第一作者：Xue Jiang（伯克利，复旦大学）, Chengzhi Shi（伯克利，GIT）
隧穿(Tunneling)在许多物理学相关分支过程中至关重要，而且展现了各种应用。理论上来看，当准粒子表现为不受高度/宽度阻碍的穿透能力时，通常认为其展示出Klein隧穿。从理论上这种隧穿得到了验证，但是在实验中直接发现该现象还没有相关报道。有鉴于此，研究出神奇隐形衣的加州大学伯克利分校/香港大学张翔院士等人又展示了奇思妙想的实验，通过不同Dirac能量的两种人工光子晶体组成异质结屏障结构，直接观测到标志性的统一传输特征，验证了Klein隧穿效应，同时发现这种Klein隧穿能够在广泛的声波频率中进行。这是首次在实验中直接观测到Klein隧穿现象。这种光子晶体Klein隧穿可能用于信号处理、超准直光束、通讯等过程。Klein隧穿是一种基于动量赝自旋锁定的凝聚态物质系统，在无质量Dirac准粒子的散射过程中保持赝自旋守恒。这个赝自旋物理学过程展示了Dirac准粒子的本征模式的实空间子晶格中，激励幅度的相对相位放大。类比在石墨烯体系中的化学掺杂、栅极掺杂，作者通过将两种不同Dirac点能量的人工光子晶体组成三明治夹心结构，形成了n-p-n型异质结屏障结构。在该体系中在较宽频率区间内成功观测到Klein隧穿现象。这种Klein隧穿为探索复杂、奇异物理学现象提供了简单方便的平台。图1. (A, B) 光子晶体屏障结构的构建、(C) 能带结构搭建了两种准微粒用于构建光子晶体，高度统一为15 mm，直径分别为14 mm、24 mm的准微粒。准微粒的不同直径用于模拟不同能量的Dirac点。结果发现不同直径的模拟Dirac点之间产生652 Hz的能量垒势（两个Dirac点分别为6380 Hz、7032 Hz）。图3. Dirac准微粒直径和Dirac能量的线性关系考察6800 Hz的声平面波在穿越Dirac异质结过程中的行为，发现入射平面声波在穿越异质结过程前后，声波的形貌没有发生变化。随后考察了声波穿越异质结过程中的传输率（transmission rate）。当异质结的宽度分别为D=11.2 mm, 14 mm, 16.8 mm时，测得传输率分别为94.3 %，96.7 %，94.6 %，该结果和通过有限元模拟的结果相符（97.1 %，96.0 %，93.8 %）。进一步的，作者通过调控准微粒圆柱直径、调控声波频率，验证了这种Klein隧穿效应的广泛性。张翔，1963年12月出生于中国江苏省南京市，光电学家，美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士，美国加州大学伯克利分校Ernest S. Kuh Chaired教授、机械工程系主任，香港大学校长。分别在1985年、1988年获得南京大学物理学院学士、硕士学位，1996年获得美国加州大学伯克利分校机械工程系博士学位并且在宾夕法尼亚州立大学任助理教授，1999年在起在加州大学洛杉矶分校任教。2008年发明的纳米隐身衣被美国《时代周刊》列入全球十大科学发现之一。2015年当选中国科学院外籍院士。2017年12月15日被任命为香港大学第16任校长，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
