“原子衍射”的百年挑战终于解开，这要归功于石墨烯

白光通过衍射光栅就会产生这种图案。原子也会发生衍射！

近日，一项来自德国航空航天中心（DLR）量子技术研究所和维也纳大学物理系的联合研究取得了突破性进展，成功展示了氦原子和氢原子在千电子伏特能量下通过单层石墨烯的衍射现象，为原子衍射领域带来了全新的认识。该研究成果已发布在预印本平台 arXiv 上，尚未经过同行评审。

原子衍射研究的历史背景与挑战

自 20 世纪初科学家们发现光具有波粒二象性后，电子衍射现象的证实进一步推动了物理学的发展。然而，对于原子衍射，尽管在反射实验中已有所研究，但原子通过晶体的衍射一直是一个未解难题。这主要是因为在原子通过晶体时，原子与晶体间的强相互作用会破坏原子的相干性，使得衍射难以实现。

研究方法与实验过程

为克服这一挑战，研究团队选择了单层石墨烯作为晶体材料，利用其优异的电子和机械性能来实现原子的透射衍射。在实验中，他们首先使用商业离子枪产生能量在 390 到 1600eV 之间的氦离子或质子束，然后通过充气电荷交换室将离子束中和。中和后的原子束经过准直，垂直入射到悬浮在有孔氮化硅衬底上的单层石墨烯样品上。通过含时密度泛函理论分子动力学模拟，团队预测了合适的实验条件，发现当氦原子能量高于 100eV 时，其与石墨烯的相互作用可满足衍射条件，同时在 400 到 600eV 的束流能量之间能实现能量损失和动量转移的较好平衡。

实验结果与关键发现

实验结果显示，原子束在通过石墨烯后形成了清晰的衍射图案，以德拜 – 谢乐环的形式呈现，这与理论预期高度吻合，从而证实了原子在二维晶体中的衍射现象。研究人员还观察到，随着束流能量的增加，衍射级次出现了衰减现象，较高的衍射级次逐渐消失并被无结构背景取代。对于氢原子，这种衰减更为明显，但仍能在 1.0 到 1.6keV 的能量范围内观察到衍射，这表明原子在向光栅损失能量的同时依然保持了相干性。

研究成果的意义与展望

这一研究成果具有重要的科学意义，不仅成功解决了原子通过晶体衍射的百年难题，实现了与电子透射衍射实验类似的原子版本，还为原子干涉测量领域带来了新的可能性。通过使用石墨烯作为光栅，实现了目前原子透射中动量转移最大的分束器，为原子干涉仪的发展提供了新的技术手段。未来，该研究有望推动在未知相互作用能量范围内对原子衍射的进一步研究，有助于深入理解退相干现象，并为开发新型基于物质波的传感器以及多维干涉仪提供理论基础。此外，将晶体透射光栅应用于原子干涉仪中，有望在引力波检测等领域发挥重要作用，为量子技术的发展开辟新的道路。

这项研究为原子物理学和量子技术领域带来了新的曙光，我们期待着后续研究能够进一步揭示原子衍射的奥秘，并推动相关技术的快速发展。

https://arxiv.org/pdf/2412.02360

Diffraction of atomic matter waves through a 2D crystal