分类
康奈尔大学新闻

研究人员开发了预测表面原子散射的新模型

美国国家科学基金会资助的明亮光束中心(Center for Bright Beams)的一组康奈尔大学领导的研究人员开发了一种新的理论方法来计算原子如何从表面散射。该方法由最近授予康奈尔物理学博士学位的米歇尔·凯利(Michelle Kelley)及其合作者开发,并发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters),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。

为了了解材料的表面,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。

当氦气从表面散射时,它会散射材料的自由电子密度,而不是穿透材料表面,而不会造成损坏,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,推动了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,散射特征的准确理论预测是关键。迄今为止,这些预测模型已被过度简化或误导。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指导非破坏性原子束散射(如氦原子散射)的方法。

“我们现在第一次可以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(A&S)物理学教授托马斯·阿里亚斯说,他指导和监督了这项研究。

Kelley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。这使他们能够创建这种新的预测理论,该理论将改变研究人员对表面结构进行建模的方式。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。

“我们的新理论方法产生了高精度的结果,因为它完全避免了不可靠的模型和以前半经验方法中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。

Kelley 和 Arias 是Center for Bright Beams (CBB) 的成员,该中心是美国国家科学基金会科学技术中心,由 PHY-1549132 资助。

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://news.cornell.edu/stories/2024/01/researchers-develop-new-model-predict-surface-atom-scattering