Невидимые волны атомов: Ученые впервые увидели дифракцию атомов сквозь графен

Ученым впервые удалось зафиксировать дифракцию атомов гелия и водорода при их прохождении сквозь однослойный графен. Эксперимент, проведенный международной группой исследователей, подтвердил волновую природу материи в новом, экстремальном режиме высоких энергий и открывает путь к созданию сверхчувствительных атомных интерферометров.

Графен как идеальный дифракционный экран

Ключом к успеху стало использование графена — материала толщиной всего в один атом. Его уникальная прочность и проводимость позволили атомам гелия и водорода, разогнанным до килоэлектронвольтных энергий, проходить сквозь решетку, не разрушая ее. Ранее дифракцию атомов наблюдали только при отражении от поверхности кристаллов, но не при сквозном прохождении. Атомы гелия, как инертный газ, и водород, как самый легкий элемент, были выбраны из-за их малого размера и минимального химического взаимодействия, что снижает нежелательные эффекты рассеяния.

Восемь колец: как проявилась волновая природа

В ходе эксперимента пучок нейтральных атомов высокой энергии направлялся на графеновую мембрану. На детекторе ученые зафиксировали до восьми концентрических колец дифракции (так называемые кольца Дебая-Шеррера). Это прямое доказательство того, что даже при огромных скоростях атомы ведут себя как волны, огибая препятствия кристаллической решетки. Исследователям пришлось решить сложную задачу: при высоких энергиях атомы сильнее взаимодействуют с электронной системой графена, теряя энергию и размывая дифракционную картину. Особенно остро эта проблема стояла для водорода. Тем не менее, даже с учетом потерь, волновая природа частиц сохранилась.

Новые горизонты квантовой физики

Эксперимент не просто подтвердил известные теории, а создал платформу для изучения фундаментальных процессов. В частности, ученые смогут исследовать декогеренцию — потерю квантовых свойств системы — в энергетических режимах, которые ранее были недоступны. Открытие дифракции атомов при сквозном прохождении через двумерный кристалл — это не лабораторный курьез, а инженерный прорыв. Оно позволяет отказаться от громоздких кристаллических решеток в пользу компактного графена. На основе этого эффекта можно создать атомные интерферометры нового поколения. Такие приборы, использующие вместо света пучки атомов, теоретически способны достичь колоссальной чувствительности, необходимой для измерения гравитационных волн и уточнения фундаментальных физических констант.