探究微观世界的探针

在《东周列国志》第三回：“言未毕，北路探子又报：“晋兵亦至，已于北门立寨。’”这里有一个名词:探子，他是指专门替人探听消息的人。

我们研究之所以能看清物体，光起了决定性作用，它作为一种探子在物理学中有一个专属名词:探针。光的能力让我们能够看到从太阳到遥远星系甚至伽马射线暴等各种天体和现象，当然光能让人看到最小物体从视角角度来看,人通常用肉眼可以看到的最细小的东西是人的头发和虱子，这是探针其实就是光子。我们知道的x射线，它也是一个探针，它能帮助我们看到蛋白质。

我们都知道，这是世界物质都是由分子、原子和离子组成。当然归根结底是由原子组成，而我们要观察原子如何在分子里排列。X射线的波长短、能量大，使得它们能够穿透物质。当X射线照射到物质上时，大部分光线会穿过物质原子间的间隙，而只有一小部分被物质吸收。这种穿透能力使得X射线能够穿透人体组织，并在不同组织中以不同的程度被吸收，形成可见的影像，可以帮助我们看清原子的微观结构。

我们经历人类一场浩劫，新冠病毒出行曾经让人无可奈何，人类就是靠X射线认识新冠病毒的内部结构，当我们知道这种病毒的结构，我们才知道这种病毒薄弱点在哪儿，才有了以后特效药和和疫苗，去攻击它的薄弱环节，最后赢得这场战争。

当然光子也好，X射线也罢，都是电磁波的一种。在电磁波外的还有另外一种探针叫电子。原子里面有原子核，它外层有电子，也可以用来看微观的结构。这幅照片就是使用电子去看单细胞的放射虫。

有一种专门仪器就是利用电子作为探针来工作的。这种透射电子显微镜（TEM），其工作原理是将高能电子束透过样品进行成像。由于电子的波长较短，因此具有更高的分辨率。但同时因为电子束的穿透深度较浅，需要将样品制备成非常薄的切片以供观察。在真空条件下，经高压加速的电子束穿透样品时形成散射电子和透射电子，它们在电磁透镜的作用下于荧光屏上成像。样品的组织构成成分密度不同会导致相应的电子发射变化，从而呈现出明暗不同的像，从而可以看见更小微粒结构。

我们知道，在原子内部有一个空间很小但有占有绝对多数质量的原子核，而原子核又是由质子和中子组成，质子决定原子归属。当中子与被研究对象的原子核相互作用而改变运动方向时，科学家通过分析散射中子的轨迹、能量和动量的变化，就能反推出物质的结构。这就好像我们不断往一张看不见的网上扔弹珠，有的弹珠穿网而过，有的则打在网上，弹向不同的角度。如果记录下这些弹珠的运动轨迹，就能大致推测出网的形状；如果弹珠扔得够多、够密、够强，就能把这张网精确地描绘出来，甚至推断其材质。

当中子被强相互作用力束缚在原子核里，如果我们用一个能量很高的带电粒子去轰击这个原子核，就可以把它击碎。击碎了之后，我们就可以利用这种脱离原子核束缚的中子作为一种探针去研究微观的世界。它的原理是，先把质子加速到一定的能量，再把质子束当成“炮弹”，去轰击重金属靶从而产生大量中子。科学家通过特殊装置“操控”中子，用中子做探针观察微观世界，成为研究物质静态微观结构和动力学机制的“超级显微镜”，这对解决国家重大战略需求和前沿科学诸多领域的瓶颈问题有着重要意义。

这听起来好像离我们的生活很遥远，但事实上，利用中子作为探针去研究微观的世界已经有接近80年的历史了。在1944年，右边这位蹲着调样品的科学家欧内斯特·沃兰（Ernest Wollan），他是美国橡树岭国家实验室的一名科研人员，写了左边的这封信，首次提出利用中子散射技术去研究微观原子的结构，也就是原子是如何排列的。

还有中子一个重要的特点就是带有磁性，可以被极化。利用中子探针，沃兰和沙尔第一次确认了反铁磁的结构，中子打在这个材料的某一个特殊方向上会有一个很强的反铁磁信号，揭示出里面原子的磁结构是向上或向下的，整体呈现没有磁性的状态。中子像一个个小磁铁，在一束中子中方向是杂乱无章的。但是如果我有一种方法能够把所有的中子排列地很好，它就是极化的中子束。利用极化的中子束，我们就可以看到非常复杂的原子内部的微观的磁性以及它的变化。

有一个从事这方面研究科学家叫童欣，他回国后加入了中国科学院高能物理研究所的东莞分部。在东莞市的大朗镇，我们建设了华南区目前唯一的国家大科学装置——中国散裂中子源。他们利用散裂的技术产生了大量的中子，并利用这些中子研究微观的物质及其动力学。随着极化中子技术的发展，未来它必定会为超导体乃至材料科学的发展和进步贡献更多的力量。

2024年4月18日整理于夷陵吾同斋