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經驗告訴我們，聲音無法百分百完美穿透障礙物，這對於光和熱等其他能量的傳送亦然。但在量子物理的世界裡，這變得有可能。

試把障礙想像成一堵低矮的薄牆，要跨過它並不困難，但隨著牆的高度和厚度逐漸增加，跨越變得越來越困難。這也正如在百米跨欄比賽中，運動員需要更長的加速時間來積累足夠的能量以跨過欄杆。不過，一個生活在量子世界的微觀粒子，卻有可能成功跨過一堵高度超過它的能量跨越極限的障礙物（勢壘），“隧穿”一堵不管多高或多厚的牆體。

早於1929年，理論物理學家Oskar Klein提出克萊因隧穿的理論研究。有別於傳統的量子隧穿現象，具備高能相對論效應的粒子在隧穿效應中會呈現不受勢壘（potential barrier）寬度和能量高度影響的全透射現象，即勢壘對於粒子來說變得完全“透明”。這一神奇而反直覺的理論被命名為「克萊因隧穿」。然而，理論提出後近100年裡，科學家嘗試用不同的方法對這一理論開展實驗驗證，卻始終未能成功。

由香港大學（港大）校長張翔教授在加州大學柏克萊分校擔任教授時帶領的科研團隊，成功在聲子晶體中觀察到聲音粒子全透射現象，完全不受聲子晶體勢壘的寬度和能量高度的影響，展示了克萊因隧穿效應的直接實驗證明。研究結果已在學術期刊Science發表。

團隊通過設計具有線性色散的三角結構聲子晶體，並在聲子晶體中構造異質結，通過聲波激發聲子晶體中具有相對論效應的凖粒子，最終成功實現了對克萊因隧穿效應的直接實驗觀察。

「這是一個激動人心的發現。量子物理學家嘗試用各種方法試圖在高能物理實驗中驗證克萊因隧穿，但都面臨著巨大挑戰。過往利用石墨烯作隧穿媒介的實驗，只能間接觀察到隧穿效應。我們設計了與石墨烯類似的人工聲子晶體並激發其中的相對論性凖粒子，與天然材料石墨烯不同，聲子晶體的結構可以自由設計，以精確滿足實驗上的苛刻需求，從而保證實驗成功觀測得到克萊因隧穿。」張翔教授解釋說。

今次是首次有研究團隊成功用實驗驗證了這個百年量子物理理論，這除了是基礎物理領域的重大突破外，在應用上的影響也非常深遠。例如，在聲學通訊中，增大聲波的透射率將有助提高聲學通訊的品質。

「目前的聲學通訊技術，聲能量難以完美地百分百通過障礙物介面。如果能將介面上的透射率提升至近乎100%，除了能大幅提升聲學通訊的傳輸效率外，提升介面處的透射效果將大大增加各種應用的潛力，開拓前沿的應用範疇，例如用於精凖聲學探測如水下勘探等領域。同時，研究結果也提供新平台，讓科學家進一步探索在聲子晶體中凖粒子的拓撲性質（物體形狀在持續變化下如何維持不變的研究）。」復旦大學資訊科學與工程學院青年副研究員江雪博士說。江博士是張翔教授研究團隊成員和論文的第一作者。

江博士指出，研究成果在生物醫學器件的設計中也能帶來啟發，應用於精凖超聲波診斷和治療，提高超聲波檢測穿透障礙物到達組織器官等指定標靶點的精確度。

在目前的實驗基礎上，研究團隊使用不同頻率的聲激發控制聲子晶體中凖粒子的等效品質及色散關係，能夠在實驗中靈活控制克萊因隧穿效應的狀態。這種方法同樣可以拓展至光學、熱學等其他人工結構中，實現對不同體系中凖粒子作前所未有的操控，以及為進一步探索其他複雜的量子物理現象提供重要的平台。

張翔教授團隊在Science發表的論文：https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1447。

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