近日，天津大学、浙江大学、东北大学、中国科技大学等多家单位合作，在手性声子反Klein隧穿现象的实验观测方面取得重要突破，相关成果以“Observation of anti-Klein tunneling of chiral phonons”为题，发表在国际权威期刊ScienceBulletin上(DOI:https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.05.024)。天津大学机械工程学院为第一完成单位，丁千教授、李鹰教授、杨天智教授和蒋建华教授为共同通讯作者，天津大学博士生李洪柱和苏州大学博士生刘洋为共同第一作者。天津大学和梦欣博士、东北大学韩承霖博士也对论文做出了重要贡献。
隧穿效应是量子力学中的经典现象，描述的是粒子可以穿越能量势垒的行为。对于无质量的手性粒子，这种效应表现为完全透射，即著名的Klein隧穿（Klein tunneling, KT）；而当粒子具有质量时，波动干涉将显著抑制其穿透能力，形成所谓的反Klein隧穿（anti-Klein tunneling, AKT）。尽管AKT在理论上早有预言，但由于实验构造困难，其直接观测始终未能实现。近年来，随着人工结构材料的发展，研究人员开始尝试在声子晶体中模拟类手性粒子，为验证这一现象提供了全新路径。此次研究正是围绕这一前沿问题展开，取得了突破性进展。
该研究的最大亮点在于首次实现了反Klein隧穿（AKT）的直接实验观测。研究团队通过构建具有稳定二次简并色散关系的双层声子晶体，模拟出具有质量和手性的类粒子，突破了传统电子系统中对AKT观测的技术瓶颈。在声学平台中，研究人员利用结构参数调控，实现了从完全透射（Klein隧穿）到完全反射（反Klein隧穿）的连续转变，并通过声场分布和透射率的精准测量，清晰捕捉到AKT效应的波动特征。该工作不仅实现了理论预言的关键验证，也展示了人工晶体中波动调控能力的极限突破。
图1|Klein隧穿和反Klein隧穿。a,无质量粒子和有质量粒子对应的隧穿原理图。b,无质量粒子和有质量粒子的能带图。c,无质量手性粒子、有质量手性粒子和无手性粒子的隧穿传递率。
图2|仿真与实验。a,双层和单层声子晶体的实验装置。b，c，仿真和实验的传递率结果。d,势垒隧穿模型。e，不同条件下的隧穿仿真能量分布。f，AKT的实验能量分布。
本研究为手性准粒子隧穿行为的实验研究提供了全新路径，填补了反Klein隧穿实验验证的空白。相比电子体系，声子晶体在结构尺度、能量调控和损耗控制方面具备独特优势，使其成为观测复杂波动现象的理想平台。展望未来，该研究不仅有助于深入理解波粒二象性下的非平庸传播机制，还可为声学计算、拓扑态调控、类量子材料设计等应用提供理论基础和技术支撑。随着多尺度制造与智能材料的发展，基于声子系统构建“类量子实验室”将成为交叉物理与工程研究的全新增长点。
以上工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金委员会的支持。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927325005390
