研究人员首次在拓扑超导状态下发现了克莱因隧穿现象——一种罕见的相对论现象，即隧道屏障消失。他们说，这一结果进一步揭示了拓扑超导的一个此前被忽视的方面，甚至可能有助于开发一个新的自旋电子和超导器件家族。
1928年，保罗·狄拉克提出了描述相对论粒子的波动方程。一年后，奥斯卡·克莱因(Oskar Klein)为狄拉克方程解决了量子力学中所谓的简单势阶问题，发现对于相对论粒子，无论粒子通过的势垒高度如何，透射系数始终为1。
这种电子通过有限势垒的完美传输导致超导体/普通金属界面的电导增加一倍。亚历山大·安德烈耶夫(Alexander Andreev)在1964年首次预测了这种倍增效应，但在实验中很少观察到，因为在实践中，要使一个“完美”的界面没有自然形成的屏障和缺陷是极其困难的。
由美国马里兰大学竹内一郎(Ichiro Takeuchi)领导的研究人员表示，他们现在已经观察到克莱因隧道以安德烈夫反射的形式存在。他们发现，当电子穿过金属和拓扑超导态(拓扑绝缘体的超导表面态)之间的界面时，会产生这种效应。
反向散射完全禁止
Takeuchi解释说:“在金属和超导体之间的界面上通常会形成某种屏障，导致一些穿过界面的电子的后向散射，降低安德烈夫反射效应。”“然而，由于拓扑绝缘体中受拓扑保护的电子态，这种反向散射在我们的金属拓扑界面上是完全禁止的。
他在接受《物理世界》杂志采访时表示:“结果是，每一个电子都必须穿过界面到达超导体，从而产生完美的电子传输和完美的安德烈夫反射。”“克莱因隧穿本质上‘消除’了界面上的障碍。“这种效应可以在未来用于制造更高效的超导设备，因为正是这种屏障对设备性能产生负面影响，并产生设备参数的变化。”
Takeuchi和他的同事对放置在六硼化钐(SmB6)下的超导体YB6的异质结构进行了实验，这是一种拓扑上的近藤绝缘体。近藤绝缘子是一种紧密相关的材料，由于近藤效应的存在，在低温下形成了较窄的能带隙。这种能量间隙意味着在拓扑保护的导电表面层之间夹有一个绝缘体。
近藤绝缘对SmB6的性能至关重要
Takeuchi解释说:“正是SmB6的近藤绝缘特性在我们的实验中起到了至关重要的作用。”“在其他拓扑绝缘体中，例如Bi2Se3，本体有时是不绝缘的，这意味着我们无法探测导电表面状态，因为它被本体的电导率‘污染’了。”
“在我们的研究中，SmB6的近道隙在低温下提供了‘额外的保护’，防止体积传导，否则就会掩盖表面态的自旋动量锁定(拓扑效应)。”
邻近效应
由于YB6的邻近效应，研究人员能够诱导SmB6表面状态的超导性。为了进行安德烈夫反射实验，他们从一种金属中注入电子到这种拓扑超导状态——在这种情况下，金属尖端由铂铱合金(PtIr)制成。这种排列是一种标准的“点接触”光谱学。
Takeuchi解释说:“我们将PtIr的尖端与SmB6的表面状态相接触，这样尖端区域的电子就能‘拾取’SmB6的螺旋(自旋动量锁定)状态。”“这是我们实验中第二个起作用的邻近效应。第三个因素是SmB6表面存在一维导电通道。
研究人员说，他们重复了他们的实验很多次，并不断得到相同的结果:归一化微分电导隙正好是超导电导隙中的两个。
向一个新的自旋电子和超导器件家族迈进
他说，这种效应可以用来制造一个全新的自旋电子和超导器件家族，其中完整的自旋动量可以产生独特的器件功能和性能。“例如，我们已经观察到完美的安德烈夫反射，这意味着我们现在可以想象制造出一种自旋电子设备，它具有天生的完美自旋滤波器和磁性层。更重要的是，SmB6可以使用相对简单的射频溅射技术制造，因此由它们制成的设备和电路可以很容易地扩大规模。”
他补充说，理论上，金属/超导体界面隧道屏障的消失也可以用来制造克莱因约瑟夫森结阵列，这些结应该具有相同的结参数，没有任何变化。“这是超导电子，包括量子信息处理设备，一个令人垂涎的功能。”
该团队在《自然》10.1038/s41586-019-1305-1上报告了他们的工作，称他们现在将尝试制造这样的设备。Takeuchi说:“我们还将寻找其他可能具有类似SmB6性能的材料。”