高中课本里的“双缝干涉”，还能发Nature正刊！

谁能想到，写入高中物理课本的经典双缝干涉实验，今天竟能缩放到单个原子键的尺度，并登上了最新一期的Nature。 自托马斯·杨在19世纪初用光演示双缝干涉实验以来，这一经典实验已远超波粒二象性的证明范畴，演化为提取定量信息的精密测量框架。在过去一个世纪中，双缝干涉从光子拓展到物质波——电子、中子、原子乃至复杂分子，并催生了电子全息术、原子干涉仪和引力波观测站等变革性测量平台。然而，将干涉仪推向原子尺度一直面临根本性挑战：如何在真实晶体中规避周期性晶格固有的空间平均效应，将相互作用严格限制在聚焦的原子尺度体积内，从而提取局域结构信息。 东京大学 Naoya Shibata教授 、 Takehito Seki教授 合作， 展示了在晶体内部实现原子尺度双缝干涉的突破性实验。 研究团队利用扫描透射电子显微镜（STEM）， 将聚焦电子束离域在硅[110]方向相邻的两个原子柱上，其间距仅为1.36 Å，成功产生了干涉条纹。 研究发现，在有限温度下，这两个原子“狭缝”发生强烈热振动，但条纹从300 K持续到900 K依然存在——这表明只有部分声子模式会降低干涉可见度，相邻原子间的关联热振动能够保持相干性。通过对条纹可见度的定量分析， 研究团队首次实现了对一对原子柱之间振动关联的直接实验测量，这些关联映射到特定原子键的各向异性刚度，为研究局域晶格动力学开辟了新途径。 相关论文以“Atomic-scale double-slit interferometry with a focused electron probe”为题，发表在Nature上。 原子尺度双缝干涉的实现 研究团队通过将聚焦电子探针精确置于硅[110]原子柱对的中点，实现了比杨氏实验缩小七个数量级的原子尺度干涉（图1b）。 当电子穿过晶体时，原子核的吸引势如同波导一般将束流限制在两个原子柱上——这一沟道效应在样品出射面上形成了两个相距1.36 Å的分离点源（图1e），进而在探测器上产生干涉图案。实验获得的会聚束电子衍射图案中，清晰出现了垂直于原子柱连线方向的干涉条纹，条纹周期为0.736 Å⁻¹，与硅原子柱投影间距1.36 Å完美对应 （图2a）。研究团队进一步将356个晶体学等效图案叠加平均，使条纹可见度延伸至第三级亮纹（图2b）。对比实验表明， 当探针置于单个原子柱上时，这些周期条纹完全消失，证实了原子柱间位置是实现原子尺度双缝干涉的关键条件。 图1 | 原子尺度双缝干涉概念 a. 杨氏经典双缝干涉实验示意图（狭缝间距约1 mm，距离约1 m）。b. 利用电子在相邻Si[110]原子柱间沟道的原子尺度双缝干涉示意图（间距1.36 Å，晶体厚度约10 nm，探测器距离约10 cm）。c. 当探针入射时，电子在Si晶体厚度中传播的强度分布模拟。d. 入射电子探针强度分布（橙色）叠加在沿[110]方向观察的Si晶体结构上。形成哑铃状的Si原子用蓝圈表示，并用键连接。e. 透射样品后的电子强度分布。两个强度极大值对应作为相干源的两个原子柱。比例尺，2 Å。 理论与实验的吻合 为验证所观测条纹确实源于原子尺度双缝干涉，研究团队首先采用简化模型进行了基准模拟：定义两个直径由点源强度分布确定的圆形孔径，间距设为1.36 Å，计算远场干涉图案，结果再现了与实验完全一致的条纹间距和强度包络（图2c）。进一步采用静态硅结构模型的多层法模拟同样产生了相同的干涉条纹（图2d）。然而，采用最简单的独立各向同性振动假设（爱因斯坦模型）时，所有高于一级的条纹全部消失，与实验明显不符（图2e）。只有引入由硅声子模式导出的关联位移时，模拟才完整复现了实验条纹图案（图2f）。定量线轮廓分析进一步证实了这一结论： 关联声子模型在内外两个探测器窗口中均精确再现了实验条纹轮廓，而爱因斯坦模型则显著偏离（图2g-h），表明关联热振动是维持原子尺度干涉的关键。 图2 | 原子尺度双缝干涉及振动关联的作用 a. 电子探针位于单个Si[110]哑铃中心时的CBED图案。b. 356个晶体学等效哑铃的平均CBED图案（总计3.3×10⁷个电子）。c. 使用夫琅禾费衍射理论的双孔理想化双缝模拟，两圆孔间距1.36 Å，孔径设为0.39 Å（图1e中透射波两个极大值的半高宽）。d. 静态模型（无原子位移）的散射模拟。e. 爱因斯坦模型（独立原子位移）的冻声子散射模拟。f. 关联原子位移的冻声子散射模拟。d-f中的强度考虑了实验有限电子剂量产生的散粒噪声（参照图2b的实验剂量）。比例尺，20 mrad。g-h. 在a中实线和虚线矩形所示不同窗口内沿垂直于原子柱连线方向（y轴）积分的线轮廓。黑线：关联模型模拟。灰线：爱因斯坦模型模拟。蓝圈：单原子对实验数据（a）。红方：平均实验数据（b）。绿色上箭头标注亮纹位置，绿色下箭头标注暗纹位置，