石墨烯，最新Science，论文仅3张图！

首次实现原子穿透固体材料衍射，单层石墨烯创造量子奇迹

在表面科学领域，原子衍射技术长期以来仅限于反射模式，通过固体材料实现原子衍射被视为重大挑战。尽管此前已有亚原子粒子穿透衍射的成功案例，但原子级粒子因与材料晶格的强相互作用会导致相干性丧失，且高能原子束可能破坏晶体结构，使得透射衍射实验长期停滞。原子衍射作为探测材料结构和动力学的精密工具，其透射模式的实现将开辟全新研究维度。

德国宇航中心Christian Brand和奥地利维也纳国立大学Toma Susi合作研究团队宣布突破性进展：他们成功使能量高达1.6 keV的氦原子和氢原子穿透单层石墨烯，并观测到清晰的衍射图案。该实验在原子垂直入射条件下进行，尽管粒子动能远超传统原子衍射实验三个数量级且与石墨烯电子系统存在耦合，原子波函数的相干性依然得以保持。研究表明，飞秒量级的超短相互作用时间限制了动量传递，从而保护了量子相干性。相关论文以“Diffraction of helium and hydrogen atoms through single- layer graphene”为题，发表在

Science

为攻克这一难题，团队选择单层石墨烯作为核心材料。其原子级厚度、高导电性和机械稳定性，既能有效耗散电子激发能量抵抗辐照损伤，又能最大限度减弱与入射原子的耦合。通过含时密度泛函理论分子动力学模拟（图1）发现：当氦原子穿过石墨烯六边形中心时，只要束流能量高于100 eV，其传递给碳原子的横向动量Δp就小于石墨烯碳原子的海森堡动量不确定度（2.1×10⁻²³ kg·m/s）。这解释了相干性得以保存的关键机制——尽管高能加速使氦原子能穿透常温下不可逾越的石墨烯层（图1A），但速度提升反而将相互作用时间压缩至飞秒级，抑制了动量传递（图1B）。值得注意的是，氢原子因未配对电子导致能量损失显著高于氦原子（图1C），在1500 eV时达16 eV，但团队仍在250-1600 eV能段观测到其衍射现象。

图1 高速原子与石墨烯的耦合机制 (A) 氦原子垂直穿透石墨烯六边形中心时，碳原子横向动量随时间变化（不同符号对应30-1500 eV动能）。灰色区域为±17 Å范德华作用区，插图为相应相互作用时间。 (B) 氦/氢穿透晶格时传递给碳原子的横向动量与入射动能关系，虚线为石墨烯碳原子面内动量不确定度。 (C) 氦/氢穿透材料时的电子系统能量损失与入射动能关系。（B、C图中符号为计算值，曲线示意趋势）

实验装置（图2A）采用离子枪产生氢/氦离子束，经电荷交换室中性化后准直至<1 mrad，垂直入射悬浮的多晶石墨烯样品。位置灵敏探测器成功捕获到高达15 mrad的衍射环（图2B），这是德拜-谢勒环的典型特征，源于样品多晶结构的随机取向。通过系统比对不同动能下氢（橙色）与氦（绿色）的衍射角与德布罗意波长关系（图2C），实验数据完美符合衍射方程 sin(θ) = |G|/k₀，确证了相干衍射的本质。

图2 多晶单层石墨烯的原子衍射 (A) 实验装置：氦/氢离子束（蓝球）经离子枪产生，电荷交换室中性化后准直至<1 mrad，中性原子束（红球）垂直入射石墨烯样品。穿透信号由微通道板与磷光屏组成的位敏探测器记录。 (B) 70 eV氦原子穿透多晶石墨烯产生的德拜-谢勒环，衍射角超15 mrad。 (C) 氢（橙）氦（绿）衍射角θ与德布罗意波长关系（对应390-1600 eV动能），曲线为理论衍射角 sin(θ) = |G|/k₀。

束流能量对晶格耦合的影响在图3中得到进一步揭示。氦原子在低能时可分辨20余个衍射环（对应8组倒格矢交换），但随着能量升高，高阶衍射环逐渐被无结构背景取代（图3A）。氢原子因更强耦合表现出更显著的衍射阶抑制（图3B），但在455 eV时仍清晰观测到衍射斑（图3C）。这一现象尤为惊人：尽管原子损失数电子伏特能量给晶格，其物质波相干性仍未完全破坏。

图3 单层石墨烯的能量依赖性原子衍射 (A、B) 实验测得的方位角平均强度随动量传递变化（以石墨烯倒格矢G₁为单位），竖线为理论衍射角位置：(A)氦原子，(B)氢原子。 (C) 455 eV氢原子衍射图案。

此项研究首次在晶体材料中实现原子透射衍射，创造了原子干涉仪中最大的动量传递记录（达±8ħ|G₁|）。相较传统光栅需散射58,000个光子才能实现的动量分裂，石墨烯平台展现出独特优势。未来该技术有望拓展至复杂粒子研究，利用原子的内态自由度开发全新透射实验范式，为量子测量、材料科学及基础物理开辟革命性道路。

来源：高分子科学前沿

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