一位最近获得康奈尔大学物理学博士学位的人开发了这种方法。米歇尔·凯利(MichelleKelley)和她的合作者发表在《物理评论快报》上，是第一个直接根据第一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射线探测表面，但这会损坏材料。多年来，研究人员一直利用分子束在表面的散射来探测晶体材料的表面。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，不会留下任何损坏，同时仍会在表面激发有用的振动。这使得氦束对于在分子水平上了解材料的表面特性非常有用。

凯利说：“与散射电子或X射线不同，原子束和分子束是无损表面探针，可以研究日益敏感和精致的样品，从而突破了可进行可行检查的表面类型的科学极限。”

然而，为了使原子散射发挥作用，散射特征的准确理论预测是关键。迄今为止，这些预测模型过于简单化或具有误导性。凯利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头开始的方法来引导非破坏性原子束散射，例如氦原子散射。

“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弹回时如何将能量沉积到材料中，”艺术与科学学院的物理学教授托马斯·阿里亚斯说。科学(A&S)，指导和监督这项研究。

凯利的小组利用氦束与铌表面的表面相互作用来捕获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模拟表面结构的方式。尽管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，因为它完全避免了以前半经验方法所需的不可靠模型和相关参数调整，”凯利说。“提高此类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。”

阿里亚斯说：“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，通过指导此类实验并改进对它们的解释，揭示包括超导在内的重要现象。”