1923年，德布罗意提出“粒子也具有波动性”的革命性理论，揭示了微观粒子的波粒二象性。随后，贝尔实验室的克林顿•戴维孙（Clinton Davisson）和雷斯特•革末（Lester Germer）将电子束照射在镍晶体表面，观察到了典型的衍射图样。与此同时，英国物理学家乔治•汤姆森（George Thomson）与学生亚历珊德拉•里德（Alexander Reid）完成了电子透射衍射实验，两个实验均证实了电子的波动特性。
乔治•汤姆森改进的阴极射线管。图片来源于网络 [1, 2]
电子衍射彻底改变了我们观察微观世界的方式，并直接催生了电子显微镜的诞生。1931年，德国科学家恩斯特•鲁斯卡（Ernst Ruska）研制出首台电子显微镜，在随后的几十年的发展中，电子显微镜展现了远超传统光学显微镜的空间分辨力。鲁斯卡也因此分享了1986年的诺贝尔物理学奖。此后，电子衍射在结构解析领域发挥了巨大作用，并催生了电子晶体学等探索原子级结构的新技术。鉴于电子和中子透射衍射在材料研究中的巨大成功，人们一直希望实现原子在材料中的透射衍射实验。然而，作为具有复杂内部结构和丰富自由度的中性粒子，原子的衍射目前仍主要局限于表面反射测量，其在材料内部的透射与干涉行为，至今仍难以捕捉。
恩斯特•鲁斯卡发明的第一台电子显微镜。图片来源于网络 [3, 4]
近日，德国航空航天中心（DLR）量子技术研究所Christian Brand、奥地利维也纳大学Toma Susi等研究者合作在Science 杂志上发表论文，首次实现高能氢和氦原子在不破坏单层石墨烯晶格的前提下穿透其结构并发生衍射。即便原子以高达千电子伏特的动能垂直入射，仍能产生清晰的衍射现象，突破了人们此前因相干性缺失与晶格损伤而设定的实验极限。
原子透射衍射实验示意图。图片来源：DLR [5]
为了实现原子透射衍射，物质波在穿透过程中必须保持相干性，这要求原子与晶体之间的相互作用足够弱。比如，Markus Arndt课题组就曾在石墨烯上刻蚀狭缝，实现酞菁分子的透射衍射 [6]。而该论文的研究者直接以单层石墨烯作为光栅材料，再选用氢原子和氦原子直接垂直入射到石墨烯表面。石墨烯不仅具备优异的导电性，能够耗散高能粒子激发引发的能量，还因其原子级厚度和机械强度，可以降低与入射粒子的耦合作用，从而有助于保持原子波的相干性。
酞菁分子穿过石墨烯的双缝干涉实验。图片来源：Nat. Nanotechnol.[6]
人们已经知道，常温常压下，氦原子无法穿透石墨烯。模拟结果表明，适当提高原子能量有助于其穿透晶格，且不会显著增加动量传递，因为能量升高会缩短原子与晶格的相互作用时间。对于氦原子而言，能量范围在400–600 eV之间可以在动量转移与能量损失之间取得良好平衡，是实现相干衍射的理想条件。而对氢原子而言，由于其具有单个未成对电子，与石墨烯耦合更强，因此能量损失更加显著。
原子与石墨烯耦合的能量变化。图片来源：Science
研究者发现，能量为250–1600 eV的氦离子束入射到单层石墨烯上，均能顺利透射。由于入射原子束直径约为300微米，因此观测到的不是单一衍射峰，而是反映晶粒取向的Debye-Scherrer衍射环。实验分辨出了十余个清晰的环形衍射图案，最大衍射角达15 mrad。将这些衍射环位置与德布罗意波长所对应的理论计算进行比对，发现氢、氦原子的实验结果均与预测高度一致，确认了这些图案确实源自原子与晶格之间的相干衍射。
原子束与单层石墨烯的衍射。图片来源：Science
随后，研究者进一步比较不同能量下氦原子的衍射图样，在低能时可辨别出超过20个衍射环，随着入射能量升高，高阶衍射信号逐渐减弱并被背景取代；氢原子的高阶衍射衰减更为显著。但即便如此，在250至1600 eV的能量范围内仍可观察到清晰的衍射图案。更令人惊讶的是，即使在高达千电子伏特能量下持续照射石墨烯光栅超过100小时，其晶格结构与衍射性能依然未见明显退化，显示出石墨烯作为原子衍射光栅的极大潜力。
单层石墨烯的能量依赖性原子衍射。图片来源：Science
在同期Science杂志的评论中，挪威卑尔根大学的Bodil Holst教授指出：“光、电子或离子的透射与反射已是成熟的实验技术，中性原子的反射显微镜也正在研发中”，而这项工作“补全了拼图最后缺失的一角，有望推动原子透射显微镜的发展”[7]。她还指出，原子透射衍射不仅可作为材料最外层电子密度分布的灵敏探针，还可以通过系统调控入射原子束的能量与束斑，实现对电子密度在外部扰动下响应机制的深入探测。剑桥大学的Bill Allison教授则形象地将该工作比作“在拥挤的房间里悄无声息地开关一扇门”，“原子与石墨烯之间的相互作用精妙至极，几乎没有留下任何可察觉的痕迹，从而使原子得以保持其波动性特征”[8]。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Diffraction of helium and hydrogen atoms through single-layer graphene
Carina Kanitz, Jakob Bühler, Vladimír Zobač, Joseph J. Robinson, Toma Susi, Maxime Debiossac, Christian Brand
Science 2025, 389, 724-726. DOI: 10.1126/science.adx5679
参考文献：
[1] Cathode ray
https://www.wikiwand.com/en/articles/cathode_ray
[2] Evolution of Atomic Theory
https://wisc.pb.unizin.org/madchem/chapter/2-2-evolution-of-atomic-theory/
[3] The Electron Microscope – from a Sketch in 1931 to Reality
https://joachimfranklab.org/the-electron-microscope-from-a-sketch-in-1931-to-reality/
[4] 1986 Nobel Prize in Physics
https://www.nobel.mpg.de/en/ernst-ruska
[5] Peering into the atomic realm with matter waves
https://www.dlr.de/en/latest/news/2025/peering-into-the-atomic-realm-with-matter-waves
[6] C. Brand, et al. An atomically thin matter-wave beamsplitter. Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 845-848. DOI: 10.1038/nnano.2015.179
[7] B. Holst, Seeing with atoms. Science 2025, 389, 682. DOI: 10.1126/science.adz7660
[8] Scientists just pulled off the impossible by bending atoms
https://www.thebrighterside.news/post/scientists-just-pulled-off-the-impossible-by-bending-atoms/
（本文由小希供稿）
