新方法揭示粒子相互作用

来源：中国数字科技馆

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“碰撞”，往往是很多物理学家为了了解事物真正的本质而采用的研究方法。这些科学家用带电粒子轰击物体，观察那些从物体身上反射、被物体吸收或穿过它们从另一端出现的粒子，来研究它们的微妙特性。然而，我们并不知道这些粒子在某些材料中具体发生了什么。最近，维也纳技术大学（TU Wien）的物理学家和他们的同事们发现了这个过程中的一些细节，他们将一种称作离子的带电粒子射入一种被剥开的固体，像剥香蕉一样，且一次只剥一层原子。他们的工作已发表在《通讯物理学》上，这个成果可以使一些分析和制造材料的技术更精确。

现代科学中用带电粒子的相互作用研究物质的方法可以追溯到20世纪40年代物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)的工作。玻尔研究了离子在通过固体时电荷是如何变化的。例如，带正电荷的离子可以通过从固体中的原子身上窃取一些带负电荷的电子来降低其电荷。玻尔指出，物理学家可以在离子穿过靶物质后捕捉并检验它，然后用他的理论推断出靶物质的电子结构。此后，离子成了探测物质结构和组成的关键工具，这一过程也称为材料分析。但是物理学家还不能通过实验来检验其中的一些细节，诸如电子跃入离子的速度有多快，或者离子必须离靶原子有多近才能发生这种电子转移。上文所说的新研究为玻尔的工作增加了细节，它是第一个通过实验精确观察这些跃迁是如何发生的。

该研究的第一作者、维也纳大学物理学家Anna Niggas说：“我们想知道，当离子击中材料时，会发生什么事情。”这些过程可能涉及到与大量电子的不同相互作用，以至于几乎不可能跟踪所有可能的排列组合。瑞典乌普萨拉大学的物理学家Daniel Primetzhofer没有参与这项实验，他解释说：“更麻烦的是，这些相互作用发生的速度非常快，无法直接被成像或记录”。他指出，进入的离子和材料中的电子相互作用的时间只有千万亿分之一秒，但是目前的技术只允许物理学家在一微秒之后对离子进行观测，慢了十亿倍。如果把离子比作公交车司机，车上的乘客是与离子发生相互作用的大量电子，那么物理学家则试图通过司机在旅程结束时的面部表情，来推断司机和一大批乘客之间的对话细节。在这个类比中，为了解析离子与其周围电子之间的“对话”，Niggas和她的同事必须将“公交车”（即固体）切片分解。

他们首先从氙原子中敲出电子，将原子转变成高电荷量的阳离子。然后，研究人员将离子射入由原子般薄的碳层组成的碳堆中，在那里离子与电子相互作用并捕获电子。通过逐步剥离碳堆中的碳层，研究小组能够检测出离子通过一层、两层或三层碳层时的行为。当一个离子通过单层碳原子，也就是石墨烯时，它的运动过程类似于与一个三维固体表面的碰撞。对于两层相叠的石墨烯薄片，它的行为类似于离子通过一个极其薄的固体。随着石墨烯层的增加，研究人员可以确定离子在一个固体的不同位置会发生什么。每一层碳原子就像是上述比喻中公交车上的一排座位：如果司机的表情在添加了某一层碳原子后发生了变化，科学家们知道这就是最重要的相互作用发生的地方。Primetzhofer指出，这种新方法的最大优点是准确地定位了离子与碳固体中大部分电子相互作用的位置。他表示：“具体的相互作用点是所有离子束实验中极度难以评估的东西。这可能是离子-物质相互作用研究中科学家一直无法找到的‘圣杯’。”

石墨烯的单层二维蜂窝状晶格结构示意图。来源：Pixabay

维也纳的研究小组开创了这项技术，并用它验证了“单个石墨烯层通常能提供足够的电子来中和入射离子”。“当多年前用石墨烯做第一个（离子）实验时，没有人会想到仅仅通过一个材料层就能捕获如此多的电子”，Niggas指出。这表明，石墨烯层可以用来保护精密电子器件中的半导体，使其免受高电荷离子的影响。她还说，她的团队的研究揭示了一些简单得令人诧异的关系，即离子要以多快的速度才能从一定数量的石墨烯层中获取一定数量的电子——这些必需的信息可以让我们以更高的精度应用离子束。然而，研究人员曾预计会有一些惊喜：他们知道离子与靶物质的相互作用的理论模型仍不完善，缺乏大量信息。

“其实并没有一个全面的理论来描述所有的离子与靶物质的相互作用，并能非常准确地预测它们的结果”，德国研究机构Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的物理学家Svenja Lohmann谈到Niggas和她的同事所研究的那种离子时如是说。在他们的实验中，一个离子从石墨烯的碳原子中捕获了几十个电子。这些电子与已经存在于离子中的电子相互作用，同时也与石墨烯内部的所有其他电子相互作用。因此，如果电子跃迁入离子中的速度和距离能够被一个数学模型所预测，那这个模型就必须同时跟踪所有这些相互作用。在公交车比喻中，物理学家们将不得不努力倾听无数重叠的对话，并决定其中哪些是最重要的。

德国基尔大学（Kiel University）理论物理学家Michael Bonitz表示：“要对所有这些相互作用的电子形成一个真正有效的量子力学理论，是极具挑战性的。”他没有参与此项研究，但他认为这些理论可以通过这项研究得到改进。他表示：“这项工作不仅囊括了有趣的实验、与实际应用息息相关，而且还可以刺激理论的发展。

先进的数学和计算模型有助于促进离子在材料制造和分析中的应用。例如，在制造半导体器件时，工程师有时通过离子轰击来改变材料的电子结构。对这些相互作用的详细了解可以让制造精确度得到提升。

一台440nm半导体激光器。来源：Pixabay

在材料分析方面，科学家们沿用了玻尔的老观念：他们希望在离子与材料相互作用后测量离子的性质，以揭示材料电子结构的个中细节。Primetzhofer说：“高电荷的离子可以充当放大镜。”更精确的理论模型意味着更高的放大率。Bonitz进一步发展了这个想法：“问题是，是否能用离子来研究未知的材料，并且发现其他工具无法得到的东西？”

下一步，维也纳大学的研究人员正计划研究他们自己设计的一种新的人工固体：他们想将高电荷离子送入石墨烯和其他材料交叉叠加的材料，然后观察它们与两种而非一种物质的相互作用。“最酷的是，我们的理论不仅对石墨烯起作用，也能用于其他材料”，Niggas表示。

撰文：Karmela Padavic-Callaghan ，一位住在纽约布鲁克林的科学作家和教育家。

翻译：朱清晖

审校：曾小欢

引进来源：科学美国人

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