单原子层薄膜可制备光栅

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研究人员利用物质的波动性原理，做到了在仅有一个原子层厚度的光栅上观察分子的离域现象，这可能是目前最薄的光栅。

现代制备方法可制备原子[color=rgb(68, 68, 68) !important]纳米薄膜，其已被证明有足够的能力作为分子量子光学成像方面的实验对象。


量子物理告诉我们，即使是大的颗粒也可以像波一样同时出现在几个地方。这种现象可由物质波在光栅处的散射得到很好的证明。在一个欧洲的合作项目中，研究人员把这种想法发挥到了极致。他们在仅有一个原子层厚度、可能是当前最薄的光栅上观察分子的离域现象，当前的实验正在探索物质波技术的极限，回应了80年前由爱因斯坦和波尔提出的著名的理想实验，其研究结果出版在 Nature naootechnology 杂志上。


物质波动性的本质是大量现代技术的基础，比如高分辨率电子显微镜、固体材料在中子层面的研究以及高敏感的惰性气体传感器。维也纳大学的 Markus Arndt 教授课题组的研究集中在怎样把这些技术拓展到大分子和团簇的研究上。


为了从量子力学上证明大的物体的本质，物质本身首先经过离域处理。这可通过海森堡不确定性关系获得。当一个分子从一个点状源释放出来，不一会儿，它就会“忘记”它本来的位置，并发生离域现象。如果你在它们的运动路径上放一个光栅，即使在原理上，它们也不知道它们穿过了哪一个狭缝，就好像它们同时穿过好几个狭缝一样。这将导致粒子在光栅后有一个特征分布，也就是散射或干涉图案。我们只能通过粒子的波动性来理解这种现象。


欧洲的NANOQUESTFIT合作项目，与其合作伙伴——特拉维夫大学的Ori Cheshnovsky教授（所有纳米膜[color=rgb(68, 68, 68) !important]论文都发表于此），耶拿大学（生长联苯薄膜，Turchanin教授）和维也纳大学（高分辨电子显微镜，Meyer教授）一起，首次证明了这些光栅甚至可以通过人们能想到的最薄的薄膜制备。他们用离子束把传动器罩加工成超薄的氮化硅、联二苯或者碳薄膜，然后用超高分辨[color=rgb(68, 68, 68) !important]电镜对其进行分析。该团队成功制备了稳定的、足够大的光栅，甚至在仅有一个原子层厚度的石墨烯上也获得了成功。


在该项目先前的实验中，衍射光栅的厚度大约为一根头发丝直径的百分之一。即使这样，对于由数十个原子组成的分子衍射来说光栅厚度仍然偏厚。同样的力量可使壁虎在墙上爬行，同时也能限制光栅在量子衍射试验中的应用。分子将会像壁虎的脚被吸在墙上一样吸附在光栅栅格上。一旦分子吸附在光栅表面，就失去了实验意义。最大的挑战就是把材料的厚度以及光栅间的相互作用降到最低的同时保持一个稳定的结构。


这篇文章的主要作者Christian Brand 说：“ 这可能是最薄的物质波衍射光栅，而且它们的实验效果很好。由于光栅的厚度仅有百万分之一毫米，因此光栅与分子的干涉时间不到万亿分之一秒。这与高对比度的量子干涉是一致的。”


纳米光栅的栅栏看起来和竖琴的琴弦差不多。因此，人们可能想知道当量子干涉时，分子偏向左边还是右边，分子会不会导致这些弦的振动。如果真是这样，光栅的栅栏能够显示出分子通过光栅的路径，量子干涉将会被破坏。因此，这个实验使数十年前波尔和爱因斯坦讨论的理想实验成为现实。他们的问题是：当观察物质波动性本质的时候，是否可以知道它们穿过双狭缝的具体路径。这个问题可以再次通过海森堡不确定性关系来解释。虽然分子在衍射过程中会和光栅发生些许碰撞，但是反作用总是小于光栅本身动量的不确定量。因此，这种反作用无法[color=rgb(68, 68, 68) !important]检测到。这表明甚至可以应用到仅有一个原子层厚度的薄膜上。