99年后，物理学家在单个原子隙缝里，重新演练了量子力学最伟大的实验

1927年，戴维森与革末在镍晶体衍射实验中验证了电子的波粒二象性；同一时期，托马斯·杨在一百多年前开创的光学双缝干涉实验，被理查德·费曼称为“包含量子力学核心奥秘”的经典范例。近一个世纪以来，物理学家们不断将双缝干涉的实验装置推向精密的极限——从大分子干涉到单电子在机械纳米缝隙中的穿行，量子干涉图样始终是检验相干性与波粒二象性的至高法庭。

然而，如何将“双缝”直接搭建在物质结构的最小单元——原子与化学键之间？

2026年8月，发表于《Nature》杂志的重大研究成果《Atomic-scale double-slit interferometry with a focused electron probe》（，由东京大学的 Koudai Tabata、Naoya Shibata、Takehito Seki、Ryo Ishikawa以及维也纳大学的 Toma Susi 等科学家共同完成。该研究巧妙地利用现代球差校正扫描透射电子显微镜（STEM），将聚焦至亚埃尺度的电子束作为探针，把硅晶体中相距仅 0.136 纳米（1.36 Å）的相邻原子列变成了天然的“量子双缝”。

这项工作不仅将量子力学最著名的范例实验推进到了晶体内部的原子尺度，更开创了一种能够以前所未有的空间分辨率探测材料内部相干热振动与局部力学性质的全新技术。

一、 实验构思：将原子列转化为“量子双缝”

在传统的双缝干涉实验中，物理学家需要制备宏观或微米级别的遮光板与狭缝，利用波的前面经过双缝后的空间叠加产生干涉相长与相消。而在该项研究中，研究团队摒弃了传统的机械加工狭缝，转而向晶体结构本身寻求答案。

晶体通道效应与双缝场的形成

研究人员将样品选定为沿着[110]晶轴方向观察的硅单晶。在这一特定晶向下，硅原子的排列呈现出独特的“哑铃”状对结构，相邻两根原子列在投影平面上的间距仅为 1.36 Å。

当球差校正 STEM 产生的极窄聚焦电子探针精准照射在这两根相邻原子列的正中间时，极高能量（如 80 kV 或 200 kV）的高速电子进入了晶体的周期性位势场中。在原子核电荷所形成的强大吸引库仑电场作用下，电子波函数被“捕获”并在两根原子列周围发生局域化传播。这一现象被称为电子通道效应（Electron Channeling）。

两根原子列如同两个平行传导电子波的天然量子波导管。当电子波经过两根原子列传播一段距离后，从原子列底部溢出并向远场传播，在衍射平面（四象限探测器或 Gatan 矢量分析平板）上重叠，从而产生了清晰的干涉条纹。此时，这两根相距 1.36 Å 的原子列，便构成了物理学史上尺寸最小的“双缝”。

二、 突破直觉：高温下的退相干佯谬与相干声子

在传统量子力学认知中，干涉现象对“环境噪声”极其敏感。晶体内部的原子并非静止不动，而是在有限温度下不断发生热振动。原子的热运动会引入随机的相位扰动，导致干涉条纹对比度降低甚至完全消失，这一过程即为量子退相干。

按照传统的独立原子振动模型（如 Einstein 模式或独立 Debye-Waller 因子模型），随着温度升高，原子热振动振幅增大，双缝间距与相对相位发生无序剧烈抖动，干涉图样应当迅速模糊失真。

然而，Tabata 等人的实验观察到了令人震撼的一幕：将样品温度从 300 K（室温）持续加热至 900 K 高温，衍射面上的双缝干涉条纹依然非常清晰。

为什么量子相干性没有在高温下崩溃？

定量理论推导与分子动力学模拟揭示了这一现象背后的深刻物理原因：相邻原子并非在各自独立、无序地随机振动，而是存在高度的协同关联运动。

在固体物理中，晶格振动是由各种声子叠加而成的。

• 长波声子与同相模式：在波长远大于原子间距的声子模式中，相邻的两个原子列会朝着相同的方向、以相同的步调一起振动。对于穿过这两根原子列的电子波而言，这种同相运动并没有改变两“缝”之间的相对距离与相对相位差。
• 相干性的选择性保留：只有那些破坏两原子列相对相对位置的反相运动（Out-of-phase Motion，如声学支的高频短波声子或特定光学支），才会导致干涉条纹对比度衰减。

实验结果极其直观地证明：在数百开尔文的高温下，晶体相邻原子之间依然保持着强烈的量子热关联。

三、 从基础物理到实用表征：单键力学各向异性测量

这一实验不仅是量子力学基础理论的完美演示，更赋予了科学家一种全新的“测量工具”。通过分析干涉条纹对比度随温度、方位角的定量演变，研究团队成功提取出了单键尺度的热力学与力学参量。

在硅晶体中，原子之间的共价键具有极强的方向性。沿化学键方向的键伸缩刚度极大，而在垂直于化学键方向的键弯曲则相对较软。通过将电子束定位于不同取向的相邻原子对之间，并定量分析干涉条纹对比度衰减速率，研究团队直接测量得到了相邻原子在沿化学键方向的关联振动均方相对位移较小，而在垂直化学键方向的均方相对位移较大这一各向异性特征。这相当于利用聚焦电子束和双缝干涉效应，在 0.1 纳米尺度上给单条化学键“弹拨弹簧”并测出了它的弹性系数。

相较于传统的 X 射线或中子散射等只能在毫米至微米尺度进行宏观统计平均的测量手段，这种基于 STEM 的电子干涉技术打破了整体长程有序的限制，仅依赖局部相邻原子对的相干性。它将空间分辨率直接提升至 0.136 纳米的单原子对级别，使科学家第一次拥有了直接在特定界面、晶界或局部缺陷处进行微观力学测量的能力。

四、 深远影响与展望

《Atomic-scale double-slit interferometry with a focused electron probe》的发表，标志着透射电子显微技术正经历从“静态结构成像”向“局域量子态与动态相干性表征”的重大范式转变。

• 局部热传导与微观散热机制：在现代微电子与半导体工业中，热失效是限制芯片性能的核心瓶颈。传统的傅里叶热导定律在纳米及原子尺度失效，因为热量是由声子传输的。这种双缝干涉技术能够直接测量单个晶界、异质结界面甚至单个杂质原子周围的局部声子相干性与声子散射行为，为设计超高导热/超低导热（热电转换）材料提供了极具价值的原子级观测手段。
• 局部相变与材料力学研究：在高温合金、铁电材料或超导材料中，许多相变往往孕育于微观的局域晶格畸变。利用原子级双缝干涉仪，物理学家可以在相变发生前夕，原位观察特定原子对之间相干振动模式的软化与临界涨落。
• 电子光学与量子表征的结合：随着像差校正技术与快电子探测器的飞速发展，将纳米级探针精准定位于单个原子级结构中已成为日常。这一研究向人们展示了：电子显微镜不仅是放大眼睛的“显微镜”，更是一个高度可控的“量子干涉发生器”。

结语

1927 年的双缝干涉实验，让我们第一次看清了微观粒子的波动属性；而 99 年后的 2026 年，科学家们利用球差校正电子显微镜，在1.36埃的原子间隙中再次重新演练了这一经典。

这不仅是量子力学简洁与优雅的又一次胜利，更是人类在微观操控领域迈出的坚实一步。在原子的“缝隙”之间，波与粒子、相干与退相干、热运动与力学响应交织成曲，为我们打开了一扇观察物质世界最深处微观力学与量子现象的全新窗口。