據(jù)外媒報道，美國海軍研究實驗室聲稱已經(jīng)開發(fā)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(xué)家David Storm和電氣工程師兼美國國家研究委員會（NRC）博士后研究員Tyler Growden參與了此次研究，并在“ 應(yīng)用物理快報”中發(fā)表了他們的研究報告，描述了該團(tuán)隊對GaN / AlN RTD（基于氮化鎵的二極管）中創(chuàng)紀(jì)錄的快速開關(guān)速度的直接測量。 

經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)穿過能量勢壘的不同方式

據(jù)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(yīng)，那么什么是量子隧穿效應(yīng)？

在量子力學(xué)里，量子隧穿效應(yīng)（Quantum tunnelling effect）為一種量子特性，是指電子等微觀粒子能夠穿過它們本來無法通過的"墻壁"的現(xiàn)象。這是因為根據(jù)量子力學(xué)，微觀粒子具有波的性質(zhì)，而有不為零的概率穿過位勢障壁。量子隧穿效應(yīng)是一種衰減波耦合效應(yīng)，其量子行為遵守薛定諤波動方程，假若條件恰當(dāng)，任何波動方程都會顯示出出衰減波耦合效應(yīng)，數(shù)學(xué)地等價于量子隧穿效應(yīng)的波耦合效應(yīng)也會發(fā)生于其它狀況。

簡單地說，量子隧穿效應(yīng)是指微觀粒子可以穿過一堵比自己還高的墻。我們可以想象一下經(jīng)典的情況，如果面前有一堵墻，我們想翻墻而過，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(xiàn)在墻的另一面。但在量子世界中，即使能量不夠，我們也可以穿墻而過（而不是躍墻而過），這就是量子隧穿效應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)然這里的“我們”不是指宏觀的物體，而是微觀粒子，因為宏觀物體隧穿的概率實在太小了，以至于根本不可能觀察到。

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

NRL研究人員開發(fā)的基于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，基于氮化鎵的二極管并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(jìn)行很好的比較。”

根據(jù)研究人員的說法，他們基于氮化鎵的二極管的設(shè)計能夠顯示“記錄”的電流輸出和開關(guān)速度，這些交換速度可以促進(jìn)在互換、大功率電子設(shè)備以及下一代通信、聯(lián)網(wǎng)和發(fā)送中的應(yīng)用開發(fā)，這將需要毫米波區(qū)域的電磁波和太赫茲頻率。在數(shù)百個不同尺寸的設(shè)備上進(jìn)行的測量表明，收率約為90％。相比之下，典型的收益率范圍約為20％。

在美國海軍研究實驗室發(fā)表的聲明中：“要實現(xiàn)高效率的可操作隧穿設(shè)備可能很困難，因為它們需要原子級的尖銳界面，并且對許多散射和泄漏源非常敏感。為了在芯片上獲得高產(chǎn)量和令人滿意的結(jié)果，關(guān)鍵在于樣品制備，均勻生長和受控的制造過程。到目前為止，從制造的角度來看，氮化鎵還很難使用。”

研究人員計劃繼續(xù)完善其二極管設(shè)計，以改善其電流輸出，同時保持功率潛力。