高中物理课本里的双缝干涉实验，是量子力学的“入门经典”。但谁能想到，这个已有200年历史的实验，今天竟被缩放到单个原子键的尺度，还登上了最新一期《自然》。

东京大学柴田直哉（Naoya Shibata）教授、关岳人（Takehito Seki）教授团队，利用扫描透射电子显微镜（STEM）中的聚焦电子束，在硅晶体中实现了间距仅1.36 Å（约一根化学键长度）的原子尺度双缝干涉。成果于2026年8月19日发表于《自然》。

他们不仅“看见”了原子尺度的干涉条纹，还通过条纹的可见度，首次直接测量了单个原子键的热振动关联——相当于给材料内部的每一根“化学键弹簧”做了个“体检”。这项技术有望在量子材料、芯片可靠性、界面科学等领域发挥重要作用。

把两个相邻原子柱当作“双缝”

干涉仪的核心是“双缝”。宏观实验中，用光栅刻出两条缝；原子尺度上，缝在哪里？

答案是：晶体中相邻的两个原子柱。

团队将聚焦电子探针精确对准硅[110]方向相邻的一对原子柱（间距1.36 Å）。当电子穿过晶体时，原子核的吸引势像“光波导”一样，把电子束限制在两个原子柱上——这个效应叫做沟道效应。于是，在样品出射面上形成了两个相距1.36 Å的相干电子源。两个“源”发出的电子波在远场发生干涉，在探测器上留下清晰的干涉条纹。

实验中获得的会聚束电子衍射（CBED）图案，出现了周期为0.736 Å⁻¹的干涉条纹，恰好对应原子柱间距1.36 Å。

此处插入 Figure 1（原子尺度双缝干涉概念图）

热振动下的鲁棒性：从300 K到900 K

原子在有限温度下是“抖个不停”的——如果两个原子柱振动完全独立，那点干涉条纹早就被“抖没了”。但实验发现，从室温到900 K，干涉条纹始终存在。

为什么？因为相邻原子间的振动是关联的——它们“同频共振”，一起动，相对位置变化小，所以干涉依然保持。

Figure 2（原子尺度双缝干涉及振动关联的作用）

这种“关联振动”的程度，正是团队想测的东西。实验中不同温度的干涉图样显示：温度越高，原子振动越剧烈，高阶条纹逐渐模糊，但直至900 K，二级条纹依然可见。

关键突破：直接测出“键的软硬”

团队提出了一个简洁而有力的物理模型：用两个方向独立的振动关联系数ρₓ和ρᵧ来描述原子对的振动关联程度。这两个参数分别对应原子键的两种“软硬模式”——沿着键的方向（拉伸/压缩）和垂直于键的方向（剪切/弯曲）。

Figure 3（方向结构关联及其对干涉的影响）

最精彩的一步来了：在二维参数空间做“地毯式”匹配，实验数据在ρₓ≈0.36、ρᵧ≈0.18处“咬合”得最紧密。更重要的是，即便从300 K升到900 K，原子振动幅度大幅增加，这两个“软硬系数”几乎不变——它们反映的是原子间相互作用的固有刚度。

Figure 4（方向相关系数的定量提取及声子模式分析）

通过一个简单的简谐链模型，这两个关联系数可以直接换算成键刚度比。这意味着，这个实验不仅“拍”到了原子，还测出了原子间的“弹簧刚度”——这是以往任何技术都做不到的。

物理根源：谁在“谋杀”干涉条纹？

进一步分析揭示了哪些声子模式是干涉条纹的“杀手”。决定条纹可见度衰减的，不是所有的热振动，而是导致两个原子柱产生相对位移的那些模式。

• 长波声学模：两列原子同相运动，几乎不产生相对位移，对条纹影响很小。
• 光学模：产生相对运动，但频率高、热占据数小，贡献有限。
• 真正“下杀手”的：是布里渊区边界附近的短波声学模——尤其是横向声学模（TA）。它们频率低、容易被热激发，且产生剪切形变，最有效地降低了干涉可见度。

这套方法也因此成了一个“声子模式过滤器”，对影响局域热输运的低能声学模式尤其敏感。

研究意义

第一，电镜从“成像工具”升级为“键刚度测量仪”。传统电镜只能看到原子“长什么样”；这台“原子干涉仪”能看到原子“怎么动”、键“有多硬”。对于理解材料的力学性能、热导率、相变行为，这个信息至关重要。

第二，为局域晶格动力学研究打开了新窗口。以往测晶格振动（声子）要靠非弹性中子散射或X射线散射，测得的是大范围的平均值。现在，可以用电子束定点测量特定原子对（比如界面两侧、缺陷周围、掺杂原子附近）的振动关联，实现真正意义上的局域键分辨动力学。

第三，为量子材料和芯片可靠性研究提供新工具。在半导体器件中，界面、位错、掺杂区域的局域键刚度直接影响载流子迁移率、热输运和器件寿命。这项技术有望在纳米尺度上直接诊断这些关键区域的“力学健康状态”。

论文信息：Atomic-scale double-slit interferometry with a focused electron probe，Nature，2026，

DOI: 10.1038/s41586-026-10993-2

总结：

聚焦电子探针在硅[110]相邻原子柱间（1.36 Å）实现原子尺度双缝干涉→干涉条纹从300 K持续至900 K→定量提取方向分辨的振动关联系数ρₓ/ρᵧ→换算为键刚度比→揭示短波横向声学模是干涉可见度损失主因→开创局域键分辨晶格动力学测量新范式。