從2025年諾貝爾物理學獎談起：量子現象如何照亮后摩爾時代的芯片迷途

前不久，激動人心的2025年諾貝爾獎評選落下帷幕。阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·蔡林格三位實驗物理學家，因為宏觀量子隧穿效應的發現而獲獎。

2025年諾貝爾物理學獎三位得主

雖然獎項的直接表彰在于驗證了量子力學非定域性這一“世紀之爭”，但在我看來，他們的工作如同一把鑰匙，為我們這些在后摩爾時代迷途中探索的微電子研究者，打開了一扇通往全新世界的大門。

目前摩爾定律達到3/2 nm節點，芯片的制程發展放緩。當硅基晶體管的尺寸微縮難以為繼，我們必須從新材料和新物理原理中尋找答案。而2025年諾獎所代表的，正是這些“新物理原理”從理論走向實驗、從質疑走向應用的偉大勝利。它深刻地告訴我們：那些曾被視為詭異的量子現象，不僅是真實的，更將是下一代信息技術的基石。

一、 從“微觀穿墻”到“宏觀穿越”：什么是宏觀量子隧穿？

要理解“宏觀量子隧穿”，我們首先要了解它的基礎——“量子隧穿效應”。

1 微觀世界的“穿墻術”

在經典物理的世界里，如果你面對一堵堅實的墻，能量不夠就無法翻越。但在量子世界里，一個微觀粒子（比如一個電子）卻像掌握了“穿墻術”，即使它的能量低于墻壁（我們稱之為“勢壘”），它也有一定的概率瞬間出現在墻的另一側。這并非因為它鉆了空子，而是由其波動性決定的，是量子力學最核心的特征之一。

量子隧穿示意圖

2 奇跡的放大：“宏觀”量子隧穿

如果說單個電子的隧穿還算“情理之中”，那么“宏觀量子隧穿”則徹底挑戰了我們的經典直覺。它指的是，由成千上萬個粒子協同一致形成的宏觀量子系統，作為一個整體，也能發生量子隧穿。

最典型的例子發生在超導電路中。在極低溫下，超導環中的電流是由大量電子配對形成的“庫珀對”集體運動產生的，這無疑是一個宏觀的物理量。令人驚嘆的是，這個宏觀電流也能像單個粒子一樣，通過量子隧穿，穿越一個能量勢壘。這就好比我們親眼目睹一個由無數士兵組成的方陣，沒有沖鋒，卻整體瞬間穿越了一道堅固的城墻。

2025年諾獎得主們所驗證的量子力學非定域性，從根本上支持了這種宏觀系統依然遵循量子規律的觀點。他們的工作，為我們在宏觀尺度上設計和操控量子器件（如超導量子比特）提供了最堅實的理論自信和實驗依據。

二、 二維材料：觀測與應用“穿墻術”的理想舞臺

我的研究方向，是二維材料及其在后摩爾時代微電子器件中的應用。為什么我們如此看重這類僅有原子層厚度的材料？一個核心原因就是，二維材料是研究和利用量子隧穿效應，特別是實現新型隧穿器件的“理想舞臺”。

1 天生的隧穿結構

二維材料最獨特的優勢在于其原子級平整的表面和極薄的厚度。當我們把兩種不同的二維材料（如石墨烯和氮化硼）堆疊在一起，形成所謂的“范德瓦爾斯異質結”時，其界面天然原子級銳利，可以構造出近乎完美的、厚度可控的隧道勢壘。這為我們研究純凈、高效的量子隧穿過程提供了一個在傳統三維材料中難以實現的完美實驗室。

2 引領變革的“隧穿晶體管”

基于這一原理，我們正在致力于開發一種革命性的器件——隧穿晶體管（TFET）。

傳統晶體管的工作原理是“翻山”，需要通過柵電壓抬升電子能量，像命令士兵翻越山丘一樣形成電流。開關過程中，能耗較高。

隧穿晶體管的工作原理則是“穿墻”。它通過控制勢壘的寬度和高度，來調控電子的隧穿概率，從而實現電流的開關。由于電子無需“翻山”，理論上可以大幅降低器件的工作電壓和功耗。

這正是量子力學賦予我們的全新器件設計范式。利用二維材料優異的電學性質和原子級銳利的界面，我們有望制造出性能遠超傳統硅基晶體管的超低功耗器件，為突破后摩爾時代的功耗瓶頸提供一條充滿希望的路徑。

一種類型的TFET

三、 前瞻：從基礎物理到未來科技

宏觀量子隧穿效應的價值，遠不止于新型晶體管。

量子計算的基石：目前最主流的超導量子比特，其工作原理之一就依賴于磁通量或電荷的宏觀量子隧穿，在兩個能量狀態之間進行相干切換。這正是將宏觀量子效應應用于信息處理的最直接體現。

量子計算機

超高靈敏度探測：基于電子隧穿電流對勢壘寬度極端的敏感性，我們可以制造出精度空前的傳感器。例如，掃描隧道顯微鏡（STM）就是利用隧穿效應來“觸摸”和“看見”原子，而基于二維材料的隧道結有望將探測靈敏度推向新的極限。

新型能源轉換器件：量子隧穿原理在熱離子發電、高效能量收集等領域也展現出應用前景。通過設計納米結構，利用電子的量子隧穿來更高效地轉換熱能或光能，可能為未來的綠色能源技術開辟新途徑。

結語

2025年諾貝爾物理學獎，再次將量子力學從深奧的理論殿堂推向了技術革命的聚光燈下。宏觀量子隧穿，這項在數十年前還被視為理論奇談的現象，如今已成為我們探索后摩爾時代微電子技術路線的關鍵武器之一。

作為研究者，我們站在一個激動人心的歷史節點。我們手中的二維材料，正如探索量子世界最靈敏的探針和最精巧的積木，幫助我們將最深刻的物理原理，轉化為驅動社會進步的強大技術引擎。這條從基礎物理走向未來科技的道路，正被諾獎的光芒和我們不懈的求索共同照亮。

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本文作者：張宇添、田禾

作者簡介：田禾，清華大學集成電路學院，副教授，研究方向為基于二維材料（石墨烯、二硫化鉬、黑磷等）的新型微納電子器件等。

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