原子物質(zhì)波干涉測量是基礎(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)波的動量分離度成正比，因此大動量轉(zhuǎn)移分束器的開發(fā)至關(guān)重要。然而，盡管經(jīng)過數(shù)十年研究，自首次原子衍射實(shí)驗(yàn)以來使用的晶體光柵在動量轉(zhuǎn)移方面仍無可匹敵。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)八個倒格矢的相干散射衍射圖案。該衍射機(jī)制源于原子級薄晶體與入射原子的極短相互作用時間，從而限制了光柵的動量轉(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。盡管電子衍射推動了顯微技術(shù)的革命，原子干涉測量因原子對多種力場的敏感性而成為現(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)波的動量決定，因此需采用大動量轉(zhuǎn)移分束器，即小周期光柵。基于激光的光柵結(jié)合加速光學(xué)晶格（Bloch振蕩）可實(shí)現(xiàn)高達(dá)千光子動量的轉(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，晶體光柵的動量轉(zhuǎn)移仍保持優(yōu)勢。
Fig 1.
高速原子與石墨烯的耦合 (a) 不同動能氦原子與碳原子相互作用過程中的動量變化：30 eV（圓形）、60 eV（方形）、120 eV（星形）、250 eV（加號）、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)。插圖為對應(yīng)動能下入射粒子通過相互作用區(qū)的持續(xù)時間。(b) 氦（He）與氫（H）穿透材料時，碳原子所受橫向動量轉(zhuǎn)移隨入射粒子動能的變化。虛線表示石墨烯中碳原子面內(nèi)動量不確定度。(c) 氦與氫穿透材料時，電子系統(tǒng)的能量損失隨入射粒子動能的變化。圖(b-c)中符號為理論計(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。透過的信號通過疊放在磷光屏上的位置靈敏探測器（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多晶石墨烯時發(fā)生衍射，形成德拜 - 謝樂環(huán)，其衍射角超過15毫弧度。(c) 對衍射方程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將氫（黃色）和氦（綠色）的衍射角θ相對于德布羅意波長（對應(yīng)390至1600電子伏特的動能）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。針對氦（a）和氫（c），將不同動能下實(shí)驗(yàn)測得的方位角平均強(qiáng)度，以石墨烯倒易點(diǎn)陣矢量 G1 為單位，相對于動量轉(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
