原子物质波干涉测量是基础科学和应用量子传感器的重要工具。干涉仪的灵敏度与衍射物质波的动量分离度成正比，因此大动量转移分束器的开发至关重要。然而，尽管经过数十年研究，自首次原子衍射实验以来使用的晶体光栅在动量转移方面仍无可匹敌。迄今为止，此类光栅的衍射仅见于亚原子粒子，从未在原子中实现。本文通过演示氦原子和氢原子在千电子伏能量下以垂直入射方式通过单层石墨烯的衍射，回应了这一百年挑战。尽管原子具有高动能并与石墨烯电子系统耦合，我们仍观察到包含多达八个倒格矢的相干散射衍射图案。该衍射机制源于原子级薄晶体与入射原子的极短相互作用时间，从而限制了光栅的动量转移。我们的实验是电子透射衍射实验（Thomson和Reid）的原子对应体，为原子衍射开辟了新潜力。我们预期这一发现将激发未探索能区的退相干研究及新型物质波传感器的开发。自Louis de Broglie于1923年提出物质波理论后仅七年，电子、原子及双原子分子的衍射现象便相继被证实。晶体材料作为物质波光栅发挥了关键作用：Davisson和Germer利用晶体反射实现了电子衍射，Estermann和Stern则实现了原子与分子衍射。Thomson更通过透射实验展示了晶体在电子衍射中的核心地位。尽管电子衍射推动了显微技术的革命，原子干涉测量因原子对多种力场的敏感性而成为现代物理不可或缺的工具。如今，原子干涉仪被用于测量原子性质、定义基本常数，以及探索标准模型之外的新物理。干涉仪的灵敏度由光栅赋予物质波的动量决定，因此需采用大动量转移分束器，即小周期光栅。基于激光的光栅结合加速光学晶格（Bloch振荡）可实现高达千光子动量的转移。尽管纳米机械膜可刻蚀近任意图案，但其光栅周期受限于加工工艺（约100 nm）。因此，历经数十年研究，晶体光栅的动量转移仍保持优势。
 
 
Fig 1. 高速原子与石墨烯的耦合 (a) 不同动能氦原子与碳原子相互作用过程中的动量变化：30 eV（圆形）、60 eV（方形）、120 eV（星形）、250 eV（加号）、500 eV（五边形）、1000 eV（菱形）及1500 eV（叉形）。灰色区域表示±1.7 Å范围内的范德华相互作用区。插图为对应动能下入射粒子通过相互作用区的持续时间。(b) 氦（He）与氢（H）穿透材料时，碳原子所受横向动量转移随入射粒子动能的变化。虚线表示石墨烯中碳原子面内动量不确定度。(c) 氦与氢穿透材料时，电子系统的能量损失随入射粒子动能的变化。图(b-c)中符号为理论计算结果，线条仅作视觉引导。
 
 
Fig 2. 多晶自支撑单层石墨烯的原子衍射。(a)利用离子枪制备一束H⁺或He⁺（蓝色球体），然后在电荷交换池中使其呈电中性。准直至半高宽为1毫弧度后，中性束（红色球体）垂直入射到石墨烯样品上。透过的信号通过叠放在磷光屏上的位置灵敏探测器（微通道板）进行可视化，并由互补金属氧化物半导体（CMOS）相机记录。(b) 706电子伏特的氦原子通过多晶石墨烯时发生衍射，形成德拜 - 谢乐环，其衍射角超过15毫弧度。(c) 对衍射方程的实验验证。将氢（黄色）和氦（绿色）的衍射角θ相对于德布罗意波长（对应390至1600电子伏特的动能）作图。图中的线表示预期的衍射角 sin(θ)=|G|/k。
 
 
Fig 3. 单层石墨烯中与能量相关的原子衍射。针对氦（a）和氢（c），将不同动能下实验测得的方位角平均强度，以石墨烯倒易点阵矢量 G1 为单位，相对于动量转移作图。垂直线表示计算得出的衍射角。（b）展示了963电子伏特下氢原子的衍射图样。
 
      相关研究工作由德国航空航天中心Christian Brand团队于2024年在线发表在《arXiv - PHYS - Quantum Physics》期刊上，Diffraction of atomic matter waves through a 2D crystal，原文链接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2412.02360

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