石墨烯終於解決了百年難題“原子衍射”

幾千年來，思想家們一直在爭論光是由粒子還是波組成的。 20 世紀初，科學家意識到兩者兼具：無質量粒子和波浪。然而幾年後，當路易斯·德布羅意提出所有物質也具有波動特性的想法時，更令人沮喪的認識出現了。

喬治·佩吉特·湯姆森和他的學生亞歷山大·里德在戴維森-格爾默實驗中獨立地證明了這一點。穿過晶體的光線可以產生繞射，就像光波穿過百葉窗的板條，或是海浪進入狹窄的港口。電子繞射不僅對基礎物理學具有革命性意義，而且還促進了電子顯微鏡等尖端技術的發展。

這不僅用電子證明了這一點，而且當涉及原子甚至分子時，事情就變得複雜了。電子比最輕的原子（湯姆森的父親 JJ 湯姆森發現的）輕 1,800 倍，因此它們可以更容易地通過晶體晶格進行衍射。

迄今為止，原子衍射是在反射中看到的。原子從蝕刻有光柵的表面彈回。這些線條不需要比頭髮細一萬倍，例如使他們。具有更大線條的網格（可能是在 20 世紀 30 年代製作的）足以展示這一現象。然而，直到現在，研究人員還無法顯示原子穿過晶體的繞射。

在一篇尚未經過同行評審的論文中，Carina Kanitz 和來自該研究中心的同事量子技術研究所維也納大學使用單原子厚度的石墨烯片展示了氫和氦原子的繞射。原子以高能量垂直射向石墨烯片。這應該會損壞晶體，但事實並非如此，這就是這個成功實驗的秘密。

「儘管原子具有高動能並且與石墨烯的電子系統耦合，但我們觀察到具有多達八個倒晶格向量的相干散射的衍射圖案。由於彈體與原子薄晶體的相互作用時間短，限制了向光柵的動量轉移，因此在這種狀態下的衍射是可能的，」研究人員在論文中寫道。

基本上，由於量子力學的特性，較高能量的原子可以更容易地衍射穿過晶體而不破壞它。

描述此實驗的預印本可透過arXiv並且還有待同儕審查。