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“碰撞”，往往是很多物理學家為了瞭解事物真正的本質而採用的研究方法。這些科學家用帶電粒子轟擊物體，觀察那些從物體身上反射、被物體吸收或穿過它們從另一端出現的粒子，來研究它們的微妙特性。然而，我們並不知道這些粒子在某些材料中具體發生了什麼。最近，維也納技術大學（TU Wien）的物理學家和他們的同事們發現了這個過程中的一些細節，他們將一種稱作離子的帶電粒子射入一種被剝開的固體，像剝香蕉一樣，且一次只剝一層原子。他們的工作已發表在八月的《通訊物理學》上，這個成果可以使一些分析和製造材料的技術更精確。
現代科學中用帶電粒子的相互作用研究物質的方法可以追溯到20世紀40年代物理學家尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)的工作。玻爾研究了離子在透過固體時電荷是如何變化的。例如，帶正電荷的離子可以透過從固體中的原子身上竊取一些帶負電荷的電子來降低其電荷。玻爾指出，物理學家可以在離子穿過靶物質後捕捉並檢驗它，然後用他的理論推斷出靶物質的電子結構。此後，離子成了探測物質結構和組成的關鍵工具，這一過程也稱為材料分析。但是物理學家還不能透過實驗來檢驗其中的一些細節，諸如電子躍入離子的速度有多快，或者離子必須離靶原子有多近才能發生這種電子轉移。上文所說的新研究為玻爾的工作增加了細節，它是第一個透過實驗精確觀察這些躍遷是如何發生的。
該研究的第一作者、維也納大學物理學家Anna Niggas說：“我們想知道，當離子擊中材料時，會發生什麼事情。”這些過程可能涉及到與大量電子的不同相互作用，以至於幾乎不可能跟蹤所有可能的排列組合。瑞典烏普薩拉大學的物理學家 Daniel Primetzhofer沒有參與這項實驗，他解釋說：“更麻煩的是，這些相互作用發生的速度非常快，無法直接被成像或記錄”。他指出，進入的離子和材料中的電子相互作用的時間只有千萬億分之一秒，但是目前的技術只允許物理學家在一微秒之後對離子進行觀測，慢了十億倍。如果把離子比作公交車司機，車上的乘客是與離子發生相互作用的大量電子，那麼物理學家則試圖透過司機在旅程結束時的面部表情，來推斷司機和一大批乘客之間的對話細節。在這個類比中，為了解析離子與其周圍電子之間的“對話”，Niggas和她的同事必須將“公交車”（即固體）切片分解。
他們首先從氙原子中敲出電子，將原子轉變成高電荷量的陽離子。然後，研究人員將離子射入由原子般薄的碳層組成的碳堆中，在那裡離子與電子相互作用並捕獲電子。透過逐步剝離碳堆中的碳層，研究小組能夠檢測出離子透過一層、兩層或三層碳層時的行為。當一個離子透過單層碳原子，也就是石墨烯時，它的運動過程類似於與一個三維固體表面的碰撞。對於兩層相疊的石墨烯薄片，它的行為類似於離子透過一個極其薄的固體。隨著石墨烯層的增加，研究人員可以確定離子在一個固體的不同位置會發生什麼。每一層碳原子就像是的上述比喻中公交車上的一排座位：如果司機的表情在添加了某一層碳原子後發生了變化，科學家們知道這就是最重要的相互作用發生的地方。Primetzhofer指出，這種新方法的最大優點是準確地定位了離子與碳固體中大部分電子相互作用的位置。他表示：“具體的相互作用點是所有離子束實驗中極度難以評估的東西。這可能是離子-物質相互作用研究中科學家一直無法找到的‘聖盃’。”
石墨烯的單層二維蜂窩狀晶格結構示意圖。來源：Pixabay
維也納的研究小組開創了這項技術，並用它驗證了“單個石墨烯層通常能提供足夠的電子來中和入射離子”。“當多年前用石墨烯做第一個（離子）實驗時，沒有人會想到僅僅透過一個材料層就能捕獲如此多的電子”，Niggas指出。這表明，石墨烯層可以用來保護精密電子器件中的半導體，使其免受高電荷離子的影響。她還說，她的團隊的研究揭示了一些簡單得令人詫異的關係，即離子要以多快的速度才能從一定數量的石墨烯層中獲取一定數量的電子——這些必需的資訊可以讓我們以更高的精度應用離子束。然而，研究人員曾預計會有一些驚喜：他們知道離子與靶物質的相互作用的理論模型仍不完善，缺乏大量資訊。
"其實並沒有一個全面的理論來描述所有的離子與靶物質的相互作用，並能非常準確地預測它們的結果”，德國研究機構Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的物理學家Svenja Lohmann談到Niggas和她的同事所研究的那種離子時如是說。在他們的實驗中，一個離子從石墨烯的碳原子中捕獲了幾十個電子。這些電子與已經存在於離子中的電子相互作用，同時也與石墨烯內部的所有其他電子相互作用。因此，如果電子躍遷入離子中的速度和距離能夠被一個數學模型所預測，那這個模型就必須同時跟蹤所有這些相互作用。在公交車比喻中，物理學家們將不得不努力傾聽無數重疊的對話，並決定其中哪些是最重要的。
德國基爾大學（Kiel University）理論物理學家Michael Bonitz表示：“要對所有這些相互作用的電子形成一個真正有效的量子力學理論，是極具挑戰性的。”他沒有參與此項研究，但他認為這些理論可以透過這項研究得到改進。他表示：“這項工作不僅囊括了有趣的實驗、與實際應用息息相關，而且還可以刺激理論的發展。
先進的數學和計算模型有助於促進離子在材料製造和分析中的應用。例如，在製造半導體器件時，工程師有時透過離子轟擊來改變材料的電子結構。對這些相互作用的詳細瞭解可以讓製造精確度得到提升.
一臺440nm半導體鐳射器。來源：Pixabay
在材料分析方面，科學家們沿用了玻爾的老觀念：他們希望在離子與材料相互作用後測量離子的性質，以揭示材料電子結構的箇中細節。Primetzhofer說：“高電荷的離子可以充當放大鏡。”更精確的理論模型意味著更高的放大率。Bonitz進一步發展了這個想法：“問題是，是否能用離子來研究未知的材料，並且發現其他工具無法得到的東西？”
下一步，維也納大學的研究人員正計劃研究他們自己設計的一種新的人工固體：他們想將高電荷離子送入石墨烯和其他材料交叉疊加的材料，然後觀察它們與兩種而非一種物質的相互作用。“最酷的是，我們的理論不僅對石墨烯起作用，也能用於其他材料”， Niggas表示。
撰文：Karmela Padavic-Callaghan ，一位住在紐約布魯克林的科學作家和教育家
翻譯：朱清暉
審校：曾小歡
引進來源：科學美國人
本文來自：中國數字科技館
