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基于聚焦电子探针的原子级双缝干涉测量

Nature2026年8月19日 00:00

自从19世纪早期Thomas Young用光进行的原始演示以来,双缝实验已经远远超出了波粒二象性的证明,演变为从干涉条纹的可见度和相位中提取定量信息的精密框架。在过去的一个世纪中,这一模型已从光子扩展到物质波,逐渐演变到越来越重的粒子,例如电子、 中子、原子甚至复杂分子,支撑着多样的变革性测量平台。如今,电子全息术、原子干涉仪和引力波观测台体现了干涉条纹的可见度和相位如何分别作为电磁场、惯性力和时空曲率的精密读数。随着干涉测量向原子尺度推进,最近的实验使用晶体晶格和二原子分子作为有效的缝隙。干涉测量的统一力量在于它将物理量编码到干涉图样中的能力;将干涉仪缩小到原子尺度,提供了在单键层面研究物质的前景。这种原子限制预计将带来固有的空间定位,可能使我们能够接触到对称破缺区域如缺陷和界面。晶体固体为此目标提供了理想的架构:锁定在晶格位置的原子可以充当具有良好定义间距的双缝,直接访问局部结构和动力学。然而,从真实晶体中提取此类局部信息需要绕过周期性晶格固有的空间平均,通过严格限制与聚焦的原子级体积的相互作用来实现。最近对扫描透射电子显微镜(STEM)的进展解决了这一挑战。消像差的电子探针允许针对单个原子对,而分段和像素化的电子探测器在每个探针位置捕获详细的会聚束电子衍射(CBED)图案(例如,差分相位对比STEM、最佳明场STEM和四维STEM (4D-STEM))具备足够的灵敏度和速度。在这里,我们展示晶体材料可以作为真正的原子级双缝干涉仪。我们展示干涉条纹编码了选定原子列对之间相关热振动的隐含特征——保持电子波相干性的同步原子运动——为在原子尺度下的局部晶格动力学打开了一扇新窗口。我们实现原子级干涉测量,通过配备像素化探测器的STEM,一个聚焦电子探针穿过相邻的硅原子列。在以1.1 Å全宽半高(FWHM)探头获得的4D-STEM数据集中,我们提取了对应于硅[110]原子列间隔为1.36 Å的探头位置的CBED图案——将Young的实验缩小了七个数量级。随着电子通过晶体传播,原子核的吸引势充当波导,将束流强度限制在两列上。这种通道效应有效地在原子级别的出口表面上创造出两个分开的点源,生成在探测器上的干涉图案。尽管这种定位基于与原子聚焦概念相同的物理原理,这些条纹也共享了传统CBED的动态衍射起源,但我们的亚单位晶胞、选择位置的几何形状使晶体本身成为干涉源,使条纹可见度对单个原子列对的相对运动敏感。

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