張翔，美國國家工程院院士，中國科學院外籍院士，加州大學伯克利分校教授，現任香港大學校長。本碩畢業於南京大學，博士畢業於加州大學伯克利分校。張翔院士是光電資訊材料和器件專家，是資訊超構材料和表面等離激元光子學方向的開拓者之一。今日，Science上線張翔院士研究成果，本文接下來將對張翔院士這篇文章進行介紹。

通訊單位：University of California, Berkeley & University of Hong Kong

DOI: 10.1126/science.abe2011

背景介紹

量子力學中最引人入勝的現象之一是相對論狄拉克粒子在法線入射時與勢壘的寬度和高度無關、具有統一透射的隧穿效應。隧穿效應也即隧道效應，在許多物理學分支中都起著至關重要的作用，並實現瞭如掃描隧道顯微鏡等重要的實際應用。從理論上講，法線入射情況下，當準粒子透過勢壘不受其高度和寬度的影響，而不受阻礙地穿透時，就會發生克萊因隧穿即克萊因隧道效應。這種與直覺相反克萊因隧道效應與非相對論極限中的隧穿效應形成鮮明對比，在非相對論極限中，法線傳輸機率受到障礙物的阻礙。儘管Oskar Klein在1929年提出了關於高能電子的克萊因隧穿理論預測，但將粒子加速到相對論狀態和構造平行勢壘的嚴格要求，使得克萊因隧穿實驗的實現在粒子物理學中一直是一個棘手的挑戰。

本文亮點

1、作者透過設計合成兩種具有不同狄拉克點能量的人造聲子晶體夾在聲子晶體中間，實現了聲子摻雜，並建立了一種聲子異質結。

2、法線入射的聲波透過聲子晶體異質結結構的完美透射、統一傳輸的關鍵特徵證實了克萊因隧道效應的直接觀察，且實驗表明克萊因隧穿發生在較寬的聲頻頻帶上。

3、可透過改變入射聲波的激發頻率來探索克萊因隧穿的頻率範圍，且還可由兩個聲子晶體遠離其狄拉克點能量的線性分散範圍來控制。

4、該發現為探索新興的宏觀系統提供了一個新平臺，這將在訊號處理、聲音能量收集、超準直光束和通訊等領域中得到應用。

▲圖1. 狄拉克聲子晶體形成勢壘結構中的克萊因隧道效應

要點：

1、透過合成和將兩種具有不同狄拉克點能量的人造聲子晶體夾在中間，這自然形成了所需的類似n-p-n的異質結構。

2、透過將夾層空間區域中的狄拉克點激發能提升到高於形成狄拉克異質結外部區域中的狄拉克點激發能，來合成具有高度V和寬度D的典型一維勢壘。

3、透過改變夾心聲子晶體的晶胞幾何形狀，可以輕鬆控制能壘高度。

▲圖2. 法線傳輸測量與潛在的寬度和高度無關

要點：

1、法線入射時，狄拉克異質結激發了6800 Hz的平面聲波，在此激勵頻率下，聲子晶體1（2）對應於n摻雜（p摻雜）狀態。

2、D = 11.2 cm、14 cm和16.8 cm時，實驗透射率分別為94.3、96.7和94.6％，與理論模擬中的97.1、96.0和93.8％一致。

3、V = 470、652和1010 Hz時，實驗傳輸速率為95.2、96.7和96.2％，也與模擬值中的98.9、96.0和95.8％一致。

4、無論勢壘的寬度和高度如何，均從實驗上觀察到了近統一的法線傳輸，這給出了克萊因隧道效應的直接觀察實驗證明。

▲圖3. 寬頻帶上觀察到的克萊因隧道效應

要點：

1、研究人造聲子晶體的優勢在於，可以透過激發頻率自由地調整所探查的克萊因隧穿型別。

2、在實驗上，作者將激發頻率調整為四個色散區域，證明了克萊因隧穿在5800至6800 Hz有效的寬頻範圍。

3、為探索需要在電子系統中對樣品進行精細製造的複雜、非平凡物理學提供了一個有前途的新平臺。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1447

作者簡介

張翔（Xiang Zhang）

張翔，美國國家工程院院士（2010年），中國科學院外籍院士（2015年），加州大學伯克利分校教授，現任香港大學校長（2017年12月，任期5年）。本碩畢業於南京大學，博士畢業於加州大學伯克利分校。張翔院士是光電資訊材料和器件專家，是資訊超構材料和表面等離激元光子學方向的開拓者之一。

代表性工作有：設計了銀鋁氧化物亞波長結構，在世界上第一次成功製備出具有光學負折射係數的三維材料，結束了有關負折射材料是否可能實現的爭論(2008)；將光的負折射原理推廣到聲學，第一次實現了具有負彈性模量的聲學超構材料和器件，展示聲波調控新方法；利用表面等離激元效應研製出第一塊超透鏡，首次演示了突破光的衍射極限的成像效應(2005)。

在微納資訊光子學方面的重要供獻包括：發展了等離子體光刻技術，成功刻寫出奈米級電子電路；研製出了世界上第一個表面等離元半導體鐳射器(2009)；利用單層石墨烯研製出了世界上最小的超寬頻高速光調製器(2011)；透過雙光子吸收發現了二維半導體材料中的超強激子相互作用及巨束縛能等；實現了首個電控谷-自旋光電管，開闢了谷-光電子學的新領域。

張翔積極參與和推動中國高校、科研院所與國際學術界的交流和合作，為中國的科技和教育發展做貢獻。他培養和指導了50多名中國籍研究生、博士後和訪問學者。這些學者學成回國後，有些已成為中國及世界光電子領域的知名學者和中國高校學科建設的帶頭人。

主頁：http://xlab.me.berkeley.edu/

更多關於張翔院士詳細介紹，請參見中科院官網：

http://www.casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/wjysmd/201512/t20151224_4502770.html