石墨烯终于解决了百年难题“原子衍射”

几千年来，思想家们一直在争论光是由粒子还是波组成的。 20 世纪初，科学家们意识到两者兼而有之：无质量粒子和波浪。然而几年后，当路易斯·德布罗意提出所有物质也具有波动特性的想法时，更令人沮丧的认识出现了。

乔治·佩吉特·汤姆森和他的学生亚历山大·里德在戴维森-格尔默实验中独立地证明了这一点。穿过晶体的光线可以产生衍射，就像光波穿过百叶窗的板条，或者海浪进入狭窄的港口一样。电子衍射不仅对基础物理学具有革命性意义，而且还促进了电子显微镜等尖端技术的发展。

这不仅用电子证明了这一点，而且当涉及到原子甚至分子时，事情就变得复杂了。电子比最轻的原子（汤姆森的父亲 JJ 汤姆森发现的）轻 1,800 倍，因此它们可以更容易地通过晶体晶格进行衍射。

迄今为止，原子衍射是在反射中看到的。原子从蚀刻有光栅的表面弹回。这些线条不需要比头发细一万倍，比如使他们。具有更大线条的网格（可能是在 20 世纪 30 年代制作的）足以展示这一现象。然而，直到现在，研究人员还无法显示原子穿过晶体的衍射。

在一篇尚未经过同行评审的论文中，Carina Kanitz 和来自该研究中心的同事量子技术研究所维也纳大学使用单原子厚度的石墨烯片展示了氢和氦原子的衍射。原子以高能量垂直射向石墨烯片。这应该会损坏晶体，但事实并非如此，这就是这个成功实验的秘密。

“尽管原子具有高动能并且与石墨烯的电子系统耦合，但我们观察到具有多达八个倒晶格向量的相干散射的衍射图案。由于射弹与原子薄晶体的相互作用时间短，限制了向光栅的动量转移，因此这种状态下的衍射是可能的，”研究人员在论文中写道。

基本上，由于量子力学的特性，较高能量的原子可以更容易地衍射穿过晶体而不破坏它。

描述该实验的预印本可通过arXiv并且还有待同行评审。