德国航空航天中心演示固体原子衍射，以推进抗辐射空间电子设备的发展

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　德国航空航天中心（DLR）的研究人员首次成功使原子束在固体中发生衍射。迄今为止，这仅对电子或中子有效。该原理利用了原子具有波的特性——类似于水波遇到障碍物时，物质波在遇到原子晶格结构时会形成特征图案。

　　该技术的潜在应用非常广泛：从材料研究到工业纳米技术，甚至可能用于医学领域。该技术可能有助于开发抗辐射材料，例如提高航天器电子设备的性能和寿命。该技术还可以提供一种更温和的方法来检测对辐射敏感的样品。

利用物质波进行材料研究

　　在材料研究、生物医学和化学领域，电子显微镜是一种不可或缺的分析工具。电子束的波动性——根据量子理论，它既像粒子又像波——可以用来使单个原子可见。这使得研究晶体的形成、检测原子晶格中的外来原子或缺陷以及评估表面质量成为可能。

　　在透射电子显微镜中，电子束穿过薄薄的样品材料。然而，这会使样品暴露在大量的辐射下。“局部辐射剂量过高，以至于该方法不适用于有机物质。”德国航空航天中心量子技术研究所的克里斯蒂安·布兰德解释说。

　　因此，德国航空航天中心正在开发用于材料研究的新型无损测量方法。这些技术基于原子的物质波。原子比电子大，但根据量子理论，它们的行为既像粒子又像波——这为对固体和有机样品中的原子和分子结构进行无损成像分析打开了大门。

以每小时两百万千米的速度穿过固体

　　DLR量子技术研究所的研究人员在固体中实现了原子束的衍射，这在世界上尚属首次。在真空室中，他们将氢原子束和氦原子束加速到每小时两百万千米，并使其穿过一层仅由单层规则排列的碳原子组成的超薄石墨烯膜。

　　穿过石墨烯膜后，原子束展现出其量子波的性质。作为物质波，单个原子会同时与样品中的多个碳原子相互作用。就像水波绕过障碍物一样，它们会发生偏转，然后在样品后方重叠。这种干涉会产生所谓的衍射图样，可以在探测器屏幕上看到。根据衍射图样的形状和大小，可以推断出原子在材料中的排列方式。

　　与电子束甚至中子束相比，原子物质波为材料研究开辟了新的可能性。原子的一大优势在于它们呈电中性，因此它们与样品的相互作用比电子要温和得多。利用原子束，甚至有可能确定辐射敏感材料的原子或分子结构，例如在有机化学领域，甚至可能在生物学和医学领域。原子束也比中子束更容易产生，因为中子束需要像核反应堆这样的大型设施。

精准速度是关键

　　为了记录物质波的衍射图样，原子束中的原子运动速度不能太慢或太快。“挑战在于尽可能保持石墨烯膜的清洁，并调整原子束的速度，以便我们能够清晰地观察到衍射效应。”实验负责人卡丽娜·卡尼茨解释说，“固体通常质量过大，原子束无法穿透——原子会被卡住。”然而，原子的运动速度也不能太快，否则衍射图样的各个结构会重叠，无法再区分。

　　“我们自然而然地会问自己，为什么原子的精细量子态在穿过样品时没有被破坏？否则，就不会出现像我们测量的那样的衍射图样了。”布兰德补充道。答案来自维也纳大学托马·苏西领导的纳米结构材料物理研究小组的模拟。“原子运动速度极快，只有亿分之一秒的百万分之一秒与样品相互作用。这时间如此之短，以至于量子态能够保持完整。”苏西解释道。

　　氢原子和氦原子实际上是挤过石墨烯膜的。“原子穿过膜的速度越快，它们与膜中碳原子相互作用的时间就越短，原子束与样品之间的量子物理相互作用就越弱。然后，原子束就像一个宽波阵面，可以穿透固体的大面积区域。”布兰德补充道。

太阳风在实验室中用于抗辐射电子产品

　　德国航空航天中心的研究人员现在希望测试原子衍射对现有方法难以研究的材料的影响。他们的重点是有机材料，例如用于过滤系统的聚合物膜和用于制造电子元件的材料。

　　石墨烯只是大约2000种已知的“功能性二维材料”中的一种——它们只有一两个原子厚，通常具有特殊的电学特性。原子级薄膜作为用于微型电子元件的先进材料具有巨大的潜力。这使得它们在太空应用领域尤为引人注目，从微型电容器到用于探测电场和磁场的量子传感器。

　　基于原子的物质波技术还可以帮助开发和测试抗辐射材料。在太空中，能量与衍射实验中使用的粒子辐射无处不在——例如，在太阳风中，它会损坏航天器上的辐射敏感材料和电子元件。辐射可以分解分子并破坏原子晶格。借助物质波实验，可以在实验室中使用原子、离子和电子束重现这种具有挑战性的条件。目标是更深入地了解物质和粒子束如何相互作用，以及如何避免辐射损伤。（逸文）