1805年前後，托馬斯·楊進行了雙縫實驗證實，光通過兩條細縫（狹縫）時會形成亮部與暗部交替排列的干涉條紋，表明光具有波動性。這一著名實驗甚至被收入了高中教科書。由東京大學研究生院工學系研究科附屬綜合研究機構的柴田直哉機構長/教授、田畑浩大特別研究員、關岳人副教授、石川亮特任副教授，與奧地利維也納大學的托馬·蘇西（Toma Susi）副教授等人的國際聯合研究團隊，成功完成了將相鄰原子視作兩條縫隙的極小尺度雙縫實驗，並揭示了可以從電子形成的條紋圖樣中讀取出原子的振動。柴田教授表示：「今後，可以考慮將該方法逐步應用於半導體材料界面、缺陷等易阻礙熱傳導部位的分析。由此可在原子尺度直接探明材料內部熱量在何處易傳導、在何處易滯留。我們期待這項技術未來能為半導體器件更高水平的散熱設計、以及高效的熱利用新材料的開發作出重要貢獻。」相關研究成果已發表在期刊《Nature》上。

a：使用光的經典楊氏雙縫實驗（雙縫間距約1mm，距離約1m）。
b：以某一方向的矽相鄰原子列作為「雙縫」的原子尺度干涉示意圖（間距136pm，晶體厚度約10nm（奈米，1nm為十億分之一公尺），到探測器的距離約10cm）。（圖片提供：東京大學）

雙縫干涉現象已在電子、中子、原子乃至大分子體系中得到驗證，並支撐了量子力學的基本理論，即「物質同樣會表現出波的行為」。其中電子相關研究中，日本的外村彰博士等人進行的單電子干涉實驗（1989年）尤為知名。現代干涉實驗已從觀測干涉條紋的明暗清晰度（條紋可見度）、條紋位置（相），發展為可精密測量待測物理量的干涉測量。

若能將晶體中的原子用作干涉儀（雙縫），理論上就有可能在單個原子鍵尺度上研究物質性質；但由於需將相互作用限制在原子尺度的微小區域內，因此該設想此前一直難以實現。

研究團隊利用搭載畫素型探測器的掃描穿透式電子顯微鏡（STEM），將束斑匯聚至原子尺度的電子束在矽晶體表面掃描，同時逐點記錄不同照射位置的會聚束電子繞射（CBED）圖樣，完成了四維STEM（4D-STEM）測量。研究人員從記錄到的大量圖樣中，僅篩選出電子束正好入射於原子對中間時的CBED圖樣。

電子在晶體中穿行時，原子核的引力勢會起到類似波導的作用，使電子束沿兩條原子列受到約束（通道效應）。其結果是，在樣品出射面會形成兩個間距136皮米的微型波源，二者相互干涉進而形成條紋圖樣。

對356個原子對的CBED圖樣進行平均後，在垂直於原子排列的方向上出現了清晰的干涉條紋，最高可分辨至第三級明紋。條紋週期與由136皮米原子列間距推導的預期值相同，表明該原子對正是起到了雙縫的作用。另一方面，當電子束沿單條原子列正上方入射時，干涉條紋消失；由此也證實，雙縫干涉效應僅在相鄰原子對的中間這一特殊位置才會出現。

此外，研究團隊還解讀了該干涉條紋中蘊含的「原子協同熱振動」資訊。晶體中的原子即使在常溫下也在不停地做熱振動。依託模擬與實驗，研究揭示出相鄰原子的熱振動彼此協同，這是維持電子波干涉的關鍵。

這種協同運動的痕跡會因原子振動方向的不同，出現在干涉圖樣的不同位置。沿原子列排列方向，若兩個原子同向運動，136皮米的狹縫間距可保持不變，高次干涉條紋仍能保留；若兩原子反向運動，狹縫間距發生波動，高次條紋便會消失。另一方面，在垂直於原子列排列的方向上，同向運動會維持雙縫軸線的方向穩定，反向運動則會使雙縫軸線傾斜，導致干涉條紋沿角向彌散。由於效應出現的區域在兩個方向上有所不同，因此僅需一幅干涉圖樣，便可獨立讀取兩個方向上的協同振動程度。

研究團隊利用這一性質詳細解析干涉條紋的形貌，成功通過實驗測定了表徵相鄰原子振動在多大程度上同步的相關係數。此外，研究還發現，平行於化學鍵方向的振動比垂直方向更易發生同步，且即便溫度升高至900K，同步程度也幾乎不變。這意味著原子振動的同步模式是反映原子間化學鍵本徵性質的量，不隨溫度發生變化。該相關係數與表徵原子鍵剛度的力常數密切相關，通過從干涉條紋中讀取相關係數，便可評估原子鍵的剛度有多高。本次觀測到的「平行於化學鍵方向上的振動更易同步」的性質，反映了化學鍵伸縮方向的剛度高於橫向剪切方向剛度。

電子束入射原子之間時會出現特異襯度

柴田教授表示：「本次研究的思路並非一開始就設想好的，而是在推進原子振動觀測方法開發工作的過程中發現的。此前，我們已利用STEM成功觀測到單個原子的振動幅度與各向異性，而本研究的契機在於，我們想到若將該方法與最新探測器相結合，或許能夠觀測到更精細的振動現象。在傳統電子顯微學領域，研究人員通常採用單原子獨立振動模式型開展模擬計算。然而，我們注意到，從實際物理規律來看，相鄰原子應如同彈簧般相連，如波一般協同振動，因此我們在各種條件下反覆驗證，試圖通過模擬捕捉這種差異。結果發現，只有在調整實驗條件、使電子束恰好入射於原子之間時，才會出現特異襯度，在解析其成因的過程中，我們最終認識到雙縫干涉的物理機制及所需的光學系統條件。不過，實驗仍存在處理海量實驗數據，以及精密調控樣品傾角等參數的技術層面的難點。目前，為解決這些問題，我們正在搭建可在實驗室內實現大量4D-STEM資料原位解析與視覺化的系統，同時推進將解析結果實時反饋至顯微鏡以校正光學系統的嘗試。我們相信，在不久的將來，這些實驗層面的障礙都將消除。」

原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯

【論文資訊】
期刊：Nature
論文：Atomic-scale double-slit interferometry with a focused electron probe
DOI：10.1038/s41586-026-10914-9