原子物質波干涉測量是基礎科學和應用量子傳感器的重要工具。干涉儀的靈敏度與衍射物質波的動量分離度成正比，因此大動量轉移分束器的開發至關重要。然而，盡管經過數十年研究，自首次原子衍射實驗以來使用的晶體光柵在動量轉移方面仍無可匹敵。迄今為止，此類光柵的衍射僅見于亞原子粒子，從未在原子中實現。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，回應了這一百年挑戰。盡管原子具有高動能并與石墨烯電子系統耦合，我們仍觀察到包含多達八個倒格矢的相干散射衍射圖案。該衍射機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移。我們的實驗是電子透射衍射實驗（Thomson和Reid）的原子對應體，為原子衍射開辟了新潛力。我們預期這一發現將激發未探索能區的退相干研究及新型物質波傳感器的開發。自Louis de Broglie于1923年提出物質波理論后僅七年，電子、原子及雙原子分子的衍射現象便相繼被證實。晶體材料作為物質波光柵發揮了關鍵作用：Davisson和Germer利用晶體反射實現了電子衍射，Estermann和Stern則實現了原子與分子衍射。Thomson更通過透射實驗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、定義基本常數，以及探索標準模型之外的新物理。干涉儀的靈敏度由光柵賦予物質波的動量決定，因此需采用大動量轉移分束器，即小周期光柵。基于激光的光柵結合加速光學晶格（Bloch振蕩）可實現高達千光子動量的轉移。盡管納米機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，歷經數十年研究，晶體光柵的動量轉移仍保持優勢。
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）。灰色區域表示±1.7 Å范圍內的范德華相互作用區。插圖為對應動能下入射粒子通過相互作用區的持續時間。(b) 氦（He）與氫（H）穿透材料時，碳原子所受橫向動量轉移隨入射粒子動能的變化。虛線表示石墨烯中碳原子面內動量不確定度。(c) 氦與氫穿透材料時，電子系統的能量損失隨入射粒子動能的變化。圖(b-c)中符號為理論計算結果，線條僅作視覺引導。
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
+（藍色球體），然后在電荷交換池中使其呈電中性。準直至半高寬為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）進行可視化，并由互補金屬氧化物半導體（CMOS）相機記錄。(b) 706電子伏特的氦原子通過多晶石墨烯時發生衍射，形成德拜 - 謝樂環，其衍射角超過15毫弧度。(c) 對衍射方程的實驗驗證。將氫（黃色）和氦（綠色）的衍射角θ相對于德布羅意波長（對應390至1600電子伏特的動能）作圖。圖中的線表示預期的衍射角 sin(θ)=|G|/k。
Fig 3. 單層石墨烯中與能量相關的原子衍射。針對氦（a）和氫（c），將不同動能下實驗測得的方位角平均強度，以石墨烯倒易點陣矢量 G1 為單位，相對于動量轉移作圖。垂直線表示計算得出的衍射角。（b）展示了963電子伏特下氫原子的衍射圖樣。
相關研究工作由德國航空航天中心Christian Brand團隊于2024年在線發表在《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
轉自《石墨烯研究》公眾號
