要真正理解事物的本質，就用彈丸轟擊它。無論如何，長期以來，這是某些物理學家偏愛的方法。這些科學家通常透過用帶電粒子轟擊固體，並觀察那些反彈、卡住或穿過並以某種方式發生變化的粒子，來研究固體的微妙特性。然而，這些粒子在某些物質內部時會發生什麼，其具體細節仍然難以捉摸。最近，維也納技術大學 (TU Wien) 的物理學家及其同事透過像剝香蕉一樣，一次剝離一層原子，用帶電粒子（稱為離子）轟擊固體，從而揭示了其中一些細節。他們的工作發表在 8 月份的《通訊物理學》雜誌上，可以使幾種分析和製造材料的技術更加準確和精確。
利用帶電粒子相互作用研究物質的現代努力可以追溯到 20 世紀 40 年代物理學家尼爾斯·玻爾的工作。玻爾研究了離子在穿過固體時電荷的變化方式。例如，帶正電荷的離子可以透過從固體中的原子中竊取一些帶負電荷的電子來降低其電荷。玻爾指出，物理學家可以在離子穿過目標後捕獲並檢查這種離子，然後使用他的理論來推斷離子在其旅程中遇到的電子結構。此後，離子已成為探測材料結構和成分的關鍵工具（一種稱為材料分析的活動），但物理學家一直無法透過實驗來檢驗電子躍遷到離子中的速度有多快，或者離子必須與固體的原子有多近才能發生這種躍遷。這項新的研究透過首次實驗觀察到這些躍遷是如何精確發生的，從而為玻爾的工作添加了細節。
“我們想了解當離子撞擊材料時會發生什麼過程，”維也納技術大學的物理學家、該研究的第一作者安娜·尼加斯說。這些過程可能涉及與許多電子的不同相互作用，以至於幾乎不可能跟蹤它們的所有排列。更麻煩的是，它們發生得非常快，快到無法直接成像或記錄，瑞典烏普薩拉大學的物理學家丹尼爾·普里梅茨霍夫（沒有參與這項實驗）解釋說。他指出，入射離子和材料的電子相互作用的時間僅為一千萬億分之一秒，但目前的技術僅允許物理學家在一微秒後檢查離子，這長了十億倍。這就像物理學家試圖透過觀察司機（離子）在行程結束時的面部表情來推斷公共汽車司機（離子）和大量乘客（許多與離子相互作用的電子）之間簡短對話的細節。在這個比喻中，為了解析離子及其周圍電子之間的“對話”，尼加斯和她的合作者必須逐件拆解“公共汽車”（即固體）。
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他們首先將氙原子中的電子敲出來，將原子轉化為高電荷離子。然後，研究人員將離子射入原子級薄的碳堆疊中，離子在那裡與電子相互作用並捕獲電子。透過逐漸剝離碳堆疊的層，該團隊能夠檢查離子在穿過總共一層、兩層或三層時的行為。當離子穿過一層碳原子（稱為石墨烯）時，它的旅程類似於與某種三維固體表面碰撞。對於兩個堆疊的石墨烯片，就好像離子穿過極薄的固體。隨著他們新增的每層石墨烯，研究人員可以確定離子在普通固體中不同位置會發生什麼。每層碳原子都像隱喻的公共汽車上的一排座位：如果僅新增一排後駕駛員的面部發生變化，科學家就知道這是最重要的相互作用發生的地方。普里梅茨霍夫指出，準確指出離子與碳固體中的大多數電子相互作用的位置是新方法的巨大優勢。“在所有離子束實驗中，特定的相互作用點都很難評估，”他說。“這可能是離子-物質相互作用研究的聖盃。”
維也納的團隊率先採用了這項技術，並用它來確定單層石墨烯通常可以提供足夠的電子來中和入射離子。“當多年前進行首次石墨烯離子實驗時，沒有人會想到僅僅穿過一層材料層就可以捕獲如此多的電子，”尼加斯指出。這表明石墨烯層可以用來保護精密電子裝置中的半導體免受高電荷離子的影響。她還說，她團隊的研究揭示了一些令人驚訝的簡單關係，這些關係涉及離子必須以多快的速度移動才能從一定數量的石墨烯層中獲取一定數量的電子——這是將離子束以越來越高的精度應用於實際應用所必須知道的資訊。然而，研究人員也預料到了一些驚喜：他們知道離子旅程的理論模型中缺少多少資訊。
“沒有一個真正全面的理論可以描述所有離子-物質相互作用，並且可以非常準確地預測其結果，”德國研究機構亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心的物理學家斯文婭·洛曼（未參與這項研究）談到尼加斯及其同事研究的那種離子時說。在他們的實驗中，離子從石墨烯的碳原子中捕獲了數十個電子。這些電子與離子中已有的電子相互作用，也與彼此以及石墨烯內的所有其他電子相互作用。因此，一個可以預測電子跳入離子的速度和接近度的數學模型必須同時跟蹤所有這些相互作用。在隱喻的公共汽車上，物理學家將不得不嘗試聆聽無數重疊對話的喧囂，以確定其中哪些最重要。
“對所有這些相互作用的電子建立一個真正好的量子力學理論非常具有挑戰性，”德國基爾大學的理論物理學家邁克爾·博尼茨（沒有參與這項新實驗）說。他認為，由於這項研究，這些理論可以得到改進。“這項工作不僅在實驗上很有趣，而且與應用相關，而且它也可以刺激理論，”他說。
先進的數學和計算模型對於改進離子在製造和材料分析中的應用非常重要。例如，為了製造半導體器件，工程師有時會透過用離子轟擊材料來改變材料的電子結構。詳細瞭解這些相互作用可以實現更精確的製造。
對於材料分析，科學家遵循玻爾的舊思路：他們希望使用測量離子與材料相互作用後的特性來揭示材料電子結構的細節。“高電荷離子可以充當放大鏡，”普里梅茨霍夫說。更精確的理論模型將意味著更高的放大率。博尼茨進一步提出了這個想法。“問題是：你現在可以使用離子來研究未知材料，並從中獲得其他工具無法獲得的東西嗎？”他說。
作為下一步，維也納技術大學的研究人員計劃探測他們自己設計的一種新的人造固體：這一次，他們希望透過將高電荷離子穿過與另一種材料交錯的石墨烯堆疊，來了解高電荷離子如何與兩種物質而不是一種物質相互作用。“最酷的是，這不僅適用於石墨烯，”尼加斯說。