一组由康奈尔大学领导的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。该方法由最近被授予康奈尔大学物理学博士学位的米歇尔·凯利和她的合作者开发，并发表在《物理评论快报》上，是第一个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，你可以使用电子束或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的方法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尺度的分辨率。然而，研究人员用这种方式来理解材料特性的模型是有缺陷的。

　　当氦从表面散射出去时，它会从材料的自由电子密度中散射出去，而不是穿透材料表面，不会留下任何破坏，同时仍然会在表面激发有用的振动。这使得氦束对于在分子水平上理解材料的表面特性非常有用。

　　凯利说:“与散射电子或x射线相反，原子和分子束是无损的表面探针，可以对越来越敏感和精细的样品进行调查，突破了表面类型的科学极限，可以进行可行的检查。”

　　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，这些预测模型要么过于简化，要么具有误导性。Kelley和她的团队提出了一种预测散射的新方法，提供了一种完全从头开始的方法来指导非破坏性原子束散射，如氦原子散射。

　　“现在，我们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)的物理学教授Tomás Arias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。这使他们能够创造出一种新的预测理论，这将改变研究人员模拟表面结构的方式。虽然这个理论是用氦束和铌发展起来的，但它可以普遍应用于其他原子表面组合。

　　Kelley说:“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。”“提高这种理论预测的准确性将有助于指导和解释下一代实验，这些实验使用原子束散射作为敏感表面特性的无损探测。”

　　“这个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，“通过指导这样的实验和改进他们的解释，揭示包括超导在内的重要现象。”