5月18日消息，據外媒報道，美國海軍研究實驗室聲稱已經開發出共振隧穿二極管（RTD：Resonant Tunneling Diode），該二極管具有前所未有的性能水平，如速度超過5G。

研究物理學家David Storm和電氣工程師兼美國國家研究委員會（NRC）博士後研究員Tyler Growden參與了此次研究，並在“ 應用物理快報”中發表了他們的研究報告，描述了該團隊對GaN / AlN RTD（基於氮化鎵的二極管）中創紀錄的快速開關速度的直接測量。

經典力學與量子力學穿過能量勢壘的不同方式

據說該共振隧穿二極管可以使電子以極快的速度傳輸，而這主要是利用了量子隧穿效應，那麼什麼是量子隧穿效應？

在量子力學裏，量子隧穿效應（Quantum tunnelling effect）爲一種量子特性，是指電子等微觀粒子能夠穿過它們本來無法通過的"牆壁"的現象。這是因爲根據量子力學，微觀粒子具有波的性質，而有不爲零的概率穿過位勢障壁。量子隧穿效應是一種衰減波耦合效應，其量子行爲遵守薛定諤波動方程，假若條件恰當，任何波動方程都會顯示出出衰減波耦合效應，數學地等價於量子隧穿效應的波耦合效應也會發生於其它狀況。

簡單地說，量子隧穿效應是指微觀粒子可以穿過一堵比自己還高的牆。我們可以想象一下經典的情況，如果面前有一堵牆，我們想翻牆而過，必須具有足夠的能量跳過去，如果能量不夠，我們是絕不可能出現在牆的另一面。但在量子世界中，即使能量不夠，我們也可以穿牆而過（而不是躍牆而過），這就是量子隧穿效應現象。當然這裏的“我們”不是指宏觀的物體，而是微觀粒子，因爲宏觀物體隧穿的概率實在太小了，以至於根本不可能觀察到。

在這種隧穿中，電子通過利用其既能充當粒子又能充當波的能力，通過物理屏障移動而產生電流。

NRL研究人員開發的基於氮化鎵的諧振隧道二極管的簡單示意圖。圖片來源：Tyler Growden

研究人員說：“我們的研究表明，基於氮化鎵的二極管並不像其他人所說的那樣天生就很慢，它們在頻率和輸出功率上都能與不同材料的二極管進行很好的比較。”

根據研究人員的說法，他們基於氮化鎵的二極管的設計能夠顯示“記錄”的電流輸出和開關速度，這些交換速度可以促進在互換、大功率電子設備以及下一代通信、聯網和發送中的應用開發，這將需要毫米波區域的電磁波和太赫茲頻率。在數百個不同尺寸的設備上進行的測量表明，收率約爲90％。相比之下，典型的收益率範圍約爲20％。

在美國海軍研究實驗室發表的聲明中：“要實現高效率的可操作隧穿設備可能很困難，因爲它們需要原子級的尖銳界面，並且對許多散射和泄漏源非常敏感。爲了在芯片上獲得高產量和令人滿意的結果，關鍵在於樣品製備，均勻生長和受控的製造過程。到目前爲止，從製造的角度來看，氮化鎵還很難使用。”

研究人員計劃繼續完善其二極管設計，以改善其電流輸出，同時保持功率潛力。

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