原子物質(zhì)波干涉測(cè)量是基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用量子傳感器的重要工具。干涉儀的靈敏度與衍射物質(zhì)波的動(dòng)量分離度成正比，因此大動(dòng)量轉(zhuǎn)移分束器的開發(fā)至關(guān)重要。然而，盡管經(jīng)過(guò)數(shù)十年研究，自首次原子衍射實(shí)驗(yàn)以來(lái)使用的晶體光柵在動(dòng)量轉(zhuǎn)移方面仍無(wú)可匹敵。迄今為止，此類光柵的衍射僅見于亞原子粒子，從未在原子中實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)演示氦原子和氫原子在千電子伏能量下以垂直入射方式通過(guò)單層石墨烯的衍射，回應(yīng)了這一百年挑戰(zhàn)。盡管原子具有高動(dòng)能并與石墨烯電子系統(tǒng)耦合，我們?nèi)杂^察到包含多達(dá)八個(gè)倒格矢的相干散射衍射圖案。該衍射機(jī)制源于原子級(jí)薄晶體與入射原子的極短相互作用時(shí)間，從而限制了光柵的動(dòng)量轉(zhuǎn)移。我們的實(shí)驗(yàn)是電子透射衍射實(shí)驗(yàn)（Thomson和Reid）的原子對(duì)應(yīng)體，為原子衍射開辟了新潛力。我們預(yù)期這一發(fā)現(xiàn)將激發(fā)未探索能區(qū)的退相干研究及新型物質(zhì)波傳感器的開發(fā)。自Louis de Broglie于1923年提出物質(zhì)波理論后僅七年，電子、原子及雙原子分子的衍射現(xiàn)象便相繼被證實(shí)。晶體材料作為物質(zhì)波光柵發(fā)揮了關(guān)鍵作用：Davisson和Germer利用晶體反射實(shí)現(xiàn)了電子衍射，Estermann和Stern則實(shí)現(xiàn)了原子與分子衍射。Thomson更通過(guò)透射實(shí)驗(yàn)展示了晶體在電子衍射中的核心地位。盡管電子衍射推動(dòng)了顯微技術(shù)的革命，原子干涉測(cè)量因原子對(duì)多種力場(chǎng)的敏感性而成為現(xiàn)代物理不可或缺的工具。如今，原子干涉儀被用于測(cè)量原子性質(zhì)、定義基本常數(shù)，以及探索標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理。干涉儀的靈敏度由光柵賦予物質(zhì)波的動(dòng)量決定，因此需采用大動(dòng)量轉(zhuǎn)移分束器，即小周期光柵?；诩す獾墓鈻沤Y(jié)合加速光學(xué)晶格（Bloch振蕩）可實(shí)現(xiàn)高達(dá)千光子動(dòng)量的轉(zhuǎn)移。盡管納米機(jī)械膜可刻蝕近任意圖案，但其光柵周期受限于加工工藝（約100 nm）。因此，歷經(jīng)數(shù)十年研究，晶體光柵的動(dòng)量轉(zhuǎn)移仍保持優(yōu)勢(shì)。
Fig 1.
高速原子與石墨烯的耦合 (a) 不同動(dòng)能氦原子與碳原子相互作用過(guò)程中的動(dòng)量變化：30 eV（圓形）、60 eV（方形）、120 eV（星形）、250 eV（加號(hào)）、500 eV（五邊形）、1000 eV（菱形）及1500 eV（叉形）。灰色區(qū)域表示±1.7 Å范圍內(nèi)的范德華相互作用區(qū)。插圖為對(duì)應(yīng)動(dòng)能下入射粒子通過(guò)相互作用區(qū)的持續(xù)時(shí)間。(b) 氦（He）與氫（H）穿透材料時(shí)，碳原子所受橫向動(dòng)量轉(zhuǎn)移隨入射粒子動(dòng)能的變化。虛線表示石墨烯中碳原子面內(nèi)動(dòng)量不確定度。(c) 氦與氫穿透材料時(shí)，電子系統(tǒng)的能量損失隨入射粒子動(dòng)能的變化。圖(b-c)中符號(hào)為理論計(jì)算結(jié)果，線條僅作視覺引導(dǎo)。
Fig 2. 多晶自支撐單層石墨烯的原子衍射。(a)利用離子槍制備一束H
+或He
+（藍(lán)色球體），然后在電荷交換池中使其呈電中性。準(zhǔn)直至半高寬為1毫弧度后，中性束（紅色球體）垂直入射到石墨烯樣品上。透過(guò)的信號(hào)通過(guò)疊放在磷光屏上的位置靈敏探測(cè)器（微通道板）進(jìn)行可視化，并由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）相機(jī)記錄。(b) 706電子伏特的氦原子通過(guò)多晶石墨烯時(shí)發(fā)生衍射，形成德拜 - 謝樂環(huán)，其衍射角超過(guò)15毫弧度。(c) 對(duì)衍射方程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將氫（黃色）和氦（綠色）的衍射角θ相對(duì)于德布羅意波長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)390至1600電子伏特的動(dòng)能）作圖。圖中的線表示預(yù)期的衍射角 sin(θ)=|G|/k。
Fig 3. 單層石墨烯中與能量相關(guān)的原子衍射。針對(duì)氦（a）和氫（c），將不同動(dòng)能下實(shí)驗(yàn)測(cè)得的方位角平均強(qiáng)度，以石墨烯倒易點(diǎn)陣矢量 G1 為單位，相對(duì)于動(dòng)量轉(zhuǎn)移作圖。垂直線表示計(jì)算得出的衍射角。（b）展示了963電子伏特下氫原子的衍射圖樣。
相關(guān)研究工作由德國(guó)航空航天中心Christian Brand團(tuán)隊(duì)于2024年在線發(fā)表在《arXiv - PHYS - Quantum Physics》期刊上，Diffraction of atomic matter waves through a 2D crystal，原文鏈接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2412.02360
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
