2026年9月28日——Thomas Young 约1805年进行的双缝实验表明，当光穿过两个狭窄的缝隙（狭缝）时，会投射出明暗交替的干涉条纹，证明光具有波动性。这是一个甚至出现在高中教科书中的著名实验。

由东京大学工学部工学创新研究所的所长兼教授 Naoya Shibata、特任研究员 Koudai Tabata、副教授 Takehito Seki、特任副教授 Ryo Ishikawa，以及奥地利维也纳大学的副教授 Toma Susi 组成的国际联合研究组，成功进行了一项将相邻原子比作两个狭缝的超微观双缝实验。该实验表明，可以从电子产生的条纹图案中读取原子振动。

Shibata 表示：“未来可以考虑将这种方法应用于分析热流容易受阻的位置，例如半导体材料的界面和缺陷。通过这种方式，将能够在原子水平上直接研究材料内部热量可能通过和停滞的位置。未来，我们期望为半导体器件更先进的散热设计，以及高效利用热量的新材料开发做出重大贡献。”该研究结果发表在 《自然》 上。

原子尺度双缝干涉：两个相邻的硅原子列相距136 pm，共同充当聚焦电子探针的一对狭缝（下图）。Young 的经典实验使用光，狭缝间距约为1 mm（上图）。
东京大学供图

双缝干涉已在电子、中子、原子和巨大分子上得到演示，支撑了量子力学中物质也表现为波的基础。特别是在电子方面，日本 Akira Tonomura 博士及其同事于1989年进行的单电子干涉实验非常著名。现代干涉实验已发展为干涉测量，通过干涉条纹明暗的清晰度（干涉条纹可见度）和条纹位置（相位）来精确测量目标的物理量。

如果晶体中的原子能用作干涉仪（双缝），人们认为就可以在单个原子键水平上研究物质的性质。由于必须将相互作用限制在原子尺度的微区内，因此实现起来很困难。

研究组使用配备像素化探测器的 STEM，进行了4D-STEM测量：将聚焦到原子尺寸的电子束在硅晶体上扫描，同时记录每个照射位置的 CBED 图案。从记录下来的海量图案中，他们只选取电子束恰好入射到这对原子中间时的 CBED 图案。当电子穿过晶体时，原子核的吸引势像波导一样作用，电子束沿着两根原子列被限制（沟道效应）。结果，在样品的出射面上产生了两个相距136皮米（pm）的小波源，它们相互干涉，形成条纹图案。

对356对原子的 CBED 图案进行平均后，出现了清晰的干涉条纹，其亮纹一直延伸到与原子列连线方向垂直的三级亮纹。条纹周期与根据136 pm原子列间距预期的值相同，表明这对原子精确地充当了双缝。另一方面，当把电子束直接置于一根原子列正上方时，干涉条纹消失，证实双缝干涉仅在相邻原子对中间这一特殊位置成立。

此外，研究人员从干涉条纹中提取了有关相关联原子热振动的信息。晶体中的原子即使在室温下也会因热能而不断振动。通过模拟和实验，团队发现相邻原子以关联方式振动，并且这种关联运动在保持电子波干涉方面起着关键作用。

这种协同运动的痕迹会根据原子振动方向出现在干涉图案的不同位置。如果两个原子沿连接原子列的直线同向移动，136 pm 的缝间距得以保持，高阶干涉条纹得以存续。如果它们反向移动，间距会波动，高阶条纹则会丢失。

另一方面，如果它们沿垂直于该方向的方向同向移动，双缝轴的方向得以保持；但如果它们反向移动，轴会倾斜，干涉条纹在角度方向上变得模糊。由于两个方向上效应出现的区域不同，可以从单个干涉图案中独立读取两个方向上的协同振动程度。

利用这一性质，研究组详细分析了干涉条纹的出现情况，成功通过实验确定了表示相邻原子振动一致程度的相关系数。此外，研究发现，振动更倾向于沿平行于化学键的方向一致，而不是垂直方向；并且即使将温度升高到900开尔文（K），这种程度也几乎不变。

相邻原子热振动的关联方式反映了它们之间化学键的性质，并在很大程度上与温度无关。该相关系数与表示原子键刚度的力常数密切相关。从干涉条纹读取相关系数，可以评估原子键的刚度。研究人员发现，原子振动倾向于沿化学键方向关联。这反映出，化学键在抵抗拉伸和压缩方面比抵抗横向位移更坚硬。

Shibata 评论道：“我们最初并没有想到这个点子。相反，它是在我们努力开发观察原子振动方法的过程中产生的。我们已经成功利用 STEM 测量了单个原子振动的幅度和各向异性，并开始思考，将这种方法与最新探测器技术结合起来，是否能使我们观察到更细微的振动现象。在传统电子显微镜中，模拟通常假设单个原子独立振动。然而，在真实材料中，相邻原子通过化学键连接，应当像波在弹簧网络中传播一样集体振动。因此，我们在多种条件下进行了模拟，以确定这些协同振动是否可以被检测到。”

他继续说道：“我们发现，只有当仔细调节成像条件，并将电子束精确置于相邻原子之间时，才会出现一种不同寻常的衬度。研究这种衬度的来源，使我们更深入地理解了双缝干涉背后的物理原理以及观察它所需的光学条件。然而，仍然存在重大的实验挑战。这些挑战包括处理测量过程中产生的海量数据，以及精确控制样品倾斜等因素。为解决这些问题，我们正在开发能够实时分析和可视化大规模 4D-STEM 数据集的系统，同时将结果反馈给显微镜，以自动优化光学系统。我们相信这些技术障碍能在不久的将来被克服。”