康奈尔大学领导的一组研究人员在明亮光束中心开发了一种新的理论方法来计算原子如何从表面散射。该方法由最近授予的康奈尔大学物理学博士Michelle Kelley及其合作者开发，并发布在《物理评论快报》上，是第一种直接从第一性原理明确计算散射原子与表面之间相互作用的方法。
要了解材料的表面，您可以使用电子束或 X 射线来探测表面，但这会损坏材料。多年来，研究人员一直在利用分子束从表面散射来探测晶体材料表面。特别是，氦非常适合这项任务，因为它能够在低能量下提供原子级分辨率。然而，研究人员用来以这种方式理解材料特性的模型是有缺陷的。
当氦从表面散射时，它会散射掉材料的自由电子密度，而不是穿透材料表面，不会留下任何损坏，同时仍然激发表面的有用振动。这使得氦束对于在分子水平上理解材料的表面特性可能非常有用。
“与散射电子或X射线相反，原子和分子束是无损表面探针，可以研究越来越敏感和脆弱的样品，推动可以进行可行检查的表面类型的科学极限，”凯利说。
然而，为了使原子散射有用，对散射特征的准确理论预测是关键。迄今为止，这些预测模型被过度简化或具有误导性。Kelley和她的团队提出了一种新的预测散射方法，该方法提供了一种完全从头开始或从一开始就引导非破坏性原子束散射的方法。
“我们现在可以第一次在没有任何外部输入或假设的情况下从理论上计算氦原子在从材料表面反弹时如何将能量沉积到材料中，”艺术与科学学院物理学教授托马斯·阿里亚斯说，他指导和监督了这项研究。
凯利的研究小组利用氦束与铌表面的表面相互作用来捕捉原子散射和声子激发如何相互作用。这使他们能够创造这种新的预测理论，这将改变研究人员模拟表面结构的方式。虽然该理论是使用氦束和铌开发的，但它通常可以应用于其他原子表面组合。
“我们的新理论方法可以产生高精度的结果，因为它完全避免了不可靠的模型和以前半经验方法所需的相关参数调整，”凯利说。“提高这种理论预测的准确性将有助于指导和解释使用原子束散射作为敏感表面特性的无损探针的下一代实验。
“这一结果将有助于提高我们对材料中电子和原子如何相互作用的理解，”阿里亚斯说，“通过指导此类实验并改进其解释，阐明包括超导性在内的重要现象。
