2025年8月19日
- 德國航太中心（DLR）的研究人員首次成功實現了原子物質波在固體中的繞射。此前，這項技術僅應用於電子和中子。
- 該方法為材料研究開闢了新的途徑，使研究輻射敏感樣品和開發抗輻射材料成為可能。
- 透過所得波形圖，我們可以得出有關所研究樣本的原子結構的結論。
- 重點：太空旅行、量子技術、材料研究
德國航空航天中心 (DLR) 的研究人員首次成功使原子束在固體中衍射。此前，這項技術僅以電子或中子進行過演示。他們利用了原子具有波的特性。與水波類似，物質波在遇到原子晶格結構時會形成特徵圖案。
其應用潛力巨大：涵蓋範圍廣泛，從材料研究到工業奈米技術，甚至可能應用於醫學領域。該技術有助於開發抗空間輻射的材料，例如用於太空電子設備的材料。此外，該技術還能對輻射敏感樣品進行溫和檢測。
利用物質波進行材料研究
電子顯微鏡是材料研究、生物醫學和化學領域不可或缺的分析工具。電子物質波可以使單一原子可見。這使得研究晶體的形成、原子晶格中的外來原子或缺陷、表面質量成為可能。
在透射顯微鏡中，樣品目前是用電子束照射的。然而，這會導致巨大的輻射暴露。 「局部輻射劑量過高，以至於該方法不適用於有機物質，」德國航太中心量子技術研究所的博士後研究員克里斯蒂安·布蘭德（Christian Brand）解釋。
因此，德國航空航天中心正在開發用於材料研究的新型無損測量方法。這些技術基於原子的物質波，有望對固體和有機樣品中的原子和分子結構進行無損成像分析。
以每小時兩百萬公里的速度穿過固體
德國航太中心量子技術研究所首次成功實現固體中原子束的繞射。德國太空中心的科學家在真空室中將氫原子和氦原子加速到每小時兩百萬公里的速度，使它們能夠穿透一層僅由一層規則排列的碳原子組成的超薄石墨烯膜。
當原子束穿透石墨烯膜時，它展現出量子物理波的特性。作為物質波，單一原子同時在樣品中繞行多個碳原子。與水波類似，它們會遇到障礙物發生偏轉，並在樣本後方重疊。這會產生所謂的衍射圖樣，並在探測器螢幕上可見。衍射圖樣的形狀和大小可以推斷出樣品中原子的排列方式。
與使用電子束或中子束的方法相比，原子產生的物質波為材料研究開啟了新的可能性。原子的主要優點在於其電中性。它們與樣品的相互作用比電子溫和得多。這使得人們能夠確定輻射敏感樣本的原子或分子結構，例如在有機化學領域，甚至可能在生物學和醫學領域。此外，原子束比需要核反應器的中子束更容易產生。
調整速度取得成功
為了捕捉物質波的繞射圖樣，原子束中的原子速度既不能太慢也不能太快。 「挑戰在於盡可能保持石墨烯膜的純度，並調整原子束的速度，以便我們能夠清晰地看到衍射效應。固體質量很大，原子束通常無法穿透它們。原子會被卡住，」實驗負責人卡麗娜·卡尼茨解釋說。然而，原子速度也不能太快，否則衍射圖樣的各個結構會重疊，變得無法區分。
「我們自然會好奇，為什麼原子穿過樣品時，其微妙的量子態不會被破壞。否則，就不會出現我們測量到的這種衍射圖樣了，」克里斯蒂安·布蘭德解釋道。答案來自維也納大學奈米結構材料物理系主任托馬·蘇西教授領導的團隊的模擬實驗。 「原子運動速度非常快，它們只有十億分之一秒的百萬分之一秒與樣品相互作用。這段時間非常短，以至於量子態得以保留，」托馬·蘇西教授說。
氫原子和氦原子其實是擠過石墨烯膜的。 「原子穿過膜的速度越快，它們推開膜中碳原子所需的力就越小，原子束與樣品之間的量子物理相互作用就越弱。這樣一來，原子束就像一束寬波，可以穿透固體的大面積區域。」Christian Brand 補充道。
實驗室中的太陽風可用於製造抗輻射電子產品
德國航太中心的研究人員現在希望測試原子繞射對目前難以用現有方法研究的材料的影響。他們的重點是有機化學，例如用於過濾系統的聚合物薄膜和用於電子元件的材料。
目前，已知的所謂功能性二維材料約有2000種，例如石墨烯。它們通常具有特殊的電特性。原子級薄膜作為高科技材料，在電子元件微型化方面擁有巨大潛力。這使得它們在太空旅行中尤其重要。其應用範圍廣泛，從微型電容器到用於電場和磁場的量子感測器。
原子物質波技術有助於開發和測試抗輻射材料。能量與繞射實驗中相似粒子輻射在太空中無所不在，例如在太陽風中。這可能會損壞輻射敏感材料，甚至在軌道上使用的電子元件。原子晶格中會出現諸如彈孔之類的缺陷，分子也可能分裂。物質波實驗可以在實驗室中利用原子束、離子束和電子束重現此類條件。其目標是更深入地了解物質和粒子束如何相互作用，並找到防止輻射損傷的解決方案。
背景資訊：物質波和波粒二象性
當光線穿過與光波長大小相同的緊密縫隙時，其後方會出現明暗條紋圖案，即所謂的繞射圖樣。 1924年，路易·德布羅意（Louis de Broglie）預測了電子束的相同現象。 1927年，物理學家、諾貝爾獎得主喬治·佩吉特·湯姆森（George Paget Thomson）、克林頓·戴維森（Clinton Davisson）和萊斯特·革末（Lester Germer）透過實驗證明了電子束在晶體中的衍射現象。這證實了德布羅意的物質波假說。物質波的繞射為當今的透射電子顯微鏡奠定了基礎。
量子物體同時具備波和粒子的特性。在特定位置找到量子物體的機率表現得像波一樣。作為波，量子物體在空間中傳播，並同時存在於多個位置。當測量時，它們在特定時間僅在一個位置以粒子的形式出現。因此，量子物體同時具有動量和波長。
[照片]
(A) DLR 研究人員成功使原子束繞射穿過固體
他們用一束氦原子照射一層薄薄的石墨烯膜，原子束的物質波在膜後形成了一個特徵性的波形。
(B) 原子物質波為材料分析開闢了新途徑
在德國航太中心的實驗室裝置中，研究人員將原子束加速至每小時兩百萬公里，並以此照射石墨烯樣本。原子束的物質波提供了原子結構的訊息，即使是對輻射敏感的樣本也是如此。
(C) 物質波繞射實驗的實驗室裝置
在真空室中，原子束撞擊固體樣品。探測器記錄由此產生的物質波衍射圖樣。
(D) 原子束在固體上繞射的實驗示意圖
在真空室中，離子源產生一束氫離子或氦離子（藍點）。這些離子被電中和，並以原子（紅點）的形式撞擊樣品材料的薄膜，此處為石墨烯（黑格）。該膜由單層六邊形排列的碳原子構成。原子束的物質波經樣品繞射後，在偵測器螢幕上形成特徵性的干涉圖樣（紅色）。偵測器前方的筆狀物阻擋了直接通過的原子束，因此只能看到繞射圖樣中偏轉的物質波。