1805年前后，托马斯·杨进行了双缝实验证实，光通过两条细缝（狭缝）时会形成亮部与暗部交替排列的干涉条纹，表明光具有波动性。这一著名实验甚至被收入了高中教科书。由东京大学研究生院工学系研究科附属综合研究机构的柴田直哉机构长/教授、田畑浩大特别研究员、关岳人副教授、石川亮特任副教授，与奥地利维也纳大学的托马·苏西（Toma Susi）副教授等人的国际联合研究团队，成功完成了将相邻原子视作两条缝隙的极小尺度双缝实验，并揭示了可以从电子形成的条纹图样中读取出原子的振动。柴田教授表示：“今后，可以考虑将该方法逐步应用于半导体材料界面、缺陷等易阻碍热传导部位的分析。由此可在原子尺度直接探明材料内部热量在何处易传导、在何处易滞留。我们期待这项技术未来能为半导体器件更高水平的散热设计、以及高效的热利用新材料的开发作出重要贡献。”相关研究成果已发表在期刊《Nature》上。
a：使用光的经典杨氏双缝实验（双缝间距约1mm，距离约1m）。
b：以某一方向的硅相邻原子列作为“双缝”的原子尺度干涉示意图（间距136pm，晶体厚度约10nm（纳米，1nm为十亿分之一米），到探测器的距离约10cm）。（供图：东京大学）
双缝干涉现象已在电子、中子、原子乃至大分子体系中得到验证，并支撑了量子力学的基本理论，即“物质同样会表现出波的行为”。其中电子相关研究中，日本的外村彰博士等人进行的单电子干涉实验（1989年）尤为知名。现代干涉实验已从观测干涉条纹的明暗清晰度（条纹可见度）、条纹位置（相位），发展为可精密测量待测物理量的干涉测量。
若能将晶体中的原子用作干涉仪（双缝），理论上就有可能在单个原子键尺度上研究物质性质；但由于需将相互作用限制在原子尺度的微小区域内，因此该设想此前一直难以实现。
研究团队利用搭载像素型探测器的扫描透射电子显微镜（STEM），将束斑汇聚至原子尺度的电子束在硅晶体表面扫描，同时逐点记录不同照射位置的会聚束电子衍射（CBED）图样，完成了四维STEM（4D-STEM）测量。研究人员从记录到的大量图样中，仅筛选出电子束正好入射于原子对中间时的CBED图样。
电子在晶体中穿行时，原子核的引力势会起到类似波导的作用，使电子束沿两条原子列受到约束（沟道效应）。其结果是，在样品出射面会形成两个间距136皮米的微型波源，二者相互干涉进而形成条纹图样。
对356个原子对的CBED图样进行平均后，在垂直于原子排布的方向上出现了清晰的干涉条纹，最高可分辨至第三级明纹。条纹周期与由136皮米原子列间距推导的预期值相同，表明该原子对正是起到了双缝的作用。另一方面，当电子束沿单条原子列正上方入射时，干涉条纹消失；由此也证实，双缝干涉效应仅在相邻原子对的中间这一特殊位置才会出现。
此外，研究团队还解读了该干涉条纹中蕴含的“原子协同热振动”信息。晶体中的原子即使在常温下也在不停地做热振动。依托模拟与实验，研究揭示出相邻原子的热振动彼此协同，这是维持电子波干涉的关键。
这种协同运动的痕迹会因原子振动方向的不同，出现在干涉图样的不同位置。沿原子列排布方向，若两个原子同向运动，136皮米的狭缝间距可保持不变，高次干涉条纹仍能保留；若两原子反向运动，狭缝间距发生波动，高次条纹便会消失。另一方面，在垂直于原子列排布的方向上，同向运动会维持双缝轴线的方向稳定，反向运动则会使双缝轴线倾斜，导致干涉条纹沿角向弥散。由于效应出现的区域在两个方向上有所不同，因此仅需一幅干涉图样，便可独立读取两个方向上的协同振动程度。
研究团队利用这一性质详细解析干涉条纹的形貌，成功通过实验测定了表征相邻原子振动在多大程度上同步的相关系数。此外，研究还发现，平行于化学键方向的振动比垂直方向更易发生同步，且即便温度升高至900K，同步程度也几乎不变。这意味着原子振动的同步模式是反映原子间化学键本征性质的量，不随温度发生变化。该相关系数与表征原子键刚度的力常数密切相关，通过从干涉条纹中读取相关系数，便可评估原子键的刚度有多高。本次观测到的“平行于化学键方向上的振动更易同步”的性质，反映了化学键伸缩方向的刚度高于横向剪切方向刚度。
电子束入射原子之间时会出现特异衬度
柴田教授表示：“本次研究的思路并非一开始就设想好的，而是在推进原子振动观测方法开发工作的过程中发现的。此前，我们已利用STEM成功观测到单个原子的振动幅度与各向异性，而本研究的契机在于，我们想到若将该方法与最新探测器相结合，或许能够观测到更精细的振动现象。在传统电子显微学领域，研究人员通常采用单原子独立振动模型开展模拟计算。然而，我们注意到，从实际物理规律来看，相邻原子应如同弹簧般相连，如波一般协同振动，因此我们在各种条件下反复验证，试图通过模拟捕捉这种差异。结果发现，只有在调整实验条件、使电子束恰好入射于原子之间时，才会出现特异衬度，在解析其成因的过程中，我们最终认识到双缝干涉的物理机制及所需的光学系统条件。不过，实验仍存在处理海量实验数据，以及精密调控样品倾角等参数的技术层面的难点。目前，为解决这些问题，我们正在搭建可在实验室内实现大量4D-STEM数据原位解析与可视化的系统，同时推进将解析结果实时反馈至显微镜以校正光学系统的尝试。我们相信，在不久的将来，这些实验层面的障碍都将消除。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑
【论文信息】
期刊：Nature
论文：Atomic-scale double-slit interferometry with a focused electron probe
DOI：10.1038/s41586-026-10914-9
