要真正理解事物的本质，就用弹丸轰击它。无论如何，长期以来，这是某些物理学家偏爱的方法。这些科学家通常通过用带电粒子轰击固体，并观察那些反弹、卡住或穿过并以某种方式发生变化的粒子，来研究固体的微妙特性。然而，这些粒子在某些物质内部时会发生什么，其具体细节仍然难以捉摸。最近，维也纳技术大学 (TU Wien) 的物理学家及其同事通过像剥香蕉一样，一次剥离一层原子，用带电粒子（称为离子）轰击固体，从而揭示了其中一些细节。他们的工作发表在 8 月份的《通讯物理学》杂志上，可以使几种分析和制造材料的技术更加准确和精确。
利用带电粒子相互作用研究物质的现代努力可以追溯到 20 世纪 40 年代物理学家尼尔斯·玻尔的工作。玻尔研究了离子在穿过固体时电荷的变化方式。例如，带正电荷的离子可以通过从固体中的原子中窃取一些带负电荷的电子来降低其电荷。玻尔指出，物理学家可以在离子穿过目标后捕获并检查这种离子，然后使用他的理论来推断离子在其旅程中遇到的电子结构。此后，离子已成为探测材料结构和成分的关键工具（一种称为材料分析的活动），但物理学家一直无法通过实验来检验电子跃迁到离子中的速度有多快，或者离子必须与固体的原子有多近才能发生这种跃迁。这项新的研究通过首次实验观察到这些跃迁是如何精确发生的，从而为玻尔的工作添加了细节。
“我们想了解当离子撞击材料时会发生什么过程，”维也纳技术大学的物理学家、该研究的第一作者安娜·尼加斯说。这些过程可能涉及与许多电子的不同相互作用，以至于几乎不可能跟踪它们的所有排列。更麻烦的是，它们发生得非常快，快到无法直接成像或记录，瑞典乌普萨拉大学的物理学家丹尼尔·普里梅茨霍夫（没有参与这项实验）解释说。他指出，入射离子和材料的电子相互作用的时间仅为一千万亿分之一秒，但目前的技术仅允许物理学家在一微秒后检查离子，这长了十亿倍。这就像物理学家试图通过观察司机（离子）在行程结束时的面部表情来推断公共汽车司机（离子）和大量乘客（许多与离子相互作用的电子）之间简短对话的细节。在这个比喻中，为了解析离子及其周围电子之间的“对话”，尼加斯和她的合作者必须逐件拆解“公共汽车”（即固体）。
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他们首先将氙原子中的电子敲出来，将原子转化为高电荷离子。然后，研究人员将离子射入原子级薄的碳堆叠中，离子在那里与电子相互作用并捕获电子。通过逐渐剥离碳堆叠的层，该团队能够检查离子在穿过总共一层、两层或三层时的行为。当离子穿过一层碳原子（称为石墨烯）时，它的旅程类似于与某种三维固体表面碰撞。对于两个堆叠的石墨烯片，就好像离子穿过极薄的固体。随着他们添加的每层石墨烯，研究人员可以确定离子在普通固体中不同位置会发生什么。每层碳原子都像隐喻的公共汽车上的一排座位：如果仅添加一排后驾驶员的面部发生变化，科学家就知道这是最重要的相互作用发生的地方。普里梅茨霍夫指出，准确指出离子与碳固体中的大多数电子相互作用的位置是新方法的巨大优势。“在所有离子束实验中，特定的相互作用点都很难评估，”他说。“这可能是离子-物质相互作用研究的圣杯。”
维也纳的团队率先采用了这项技术，并用它来确定单层石墨烯通常可以提供足够的电子来中和入射离子。“当多年前进行首次石墨烯离子实验时，没有人会想到仅仅穿过一层材料层就可以捕获如此多的电子，”尼加斯指出。这表明石墨烯层可以用来保护精密电子设备中的半导体免受高电荷离子的影响。她还说，她团队的研究揭示了一些令人惊讶的简单关系，这些关系涉及离子必须以多快的速度移动才能从一定数量的石墨烯层中获取一定数量的电子——这是将离子束以越来越高的精度应用于实际应用所必须知道的信息。然而，研究人员也预料到了一些惊喜：他们知道离子旅程的理论模型中缺少多少信息。
“没有一个真正全面的理论可以描述所有离子-物质相互作用，并且可以非常准确地预测其结果，”德国研究机构亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心的物理学家斯文娅·洛曼（未参与这项研究）谈到尼加斯及其同事研究的那种离子时说。在他们的实验中，离子从石墨烯的碳原子中捕获了数十个电子。这些电子与离子中已有的电子相互作用，也与彼此以及石墨烯内的所有其他电子相互作用。因此，一个可以预测电子跳入离子的速度和接近度的数学模型必须同时跟踪所有这些相互作用。在隐喻的公共汽车上，物理学家将不得不尝试聆听无数重叠对话的喧嚣，以确定其中哪些最重要。
“对所有这些相互作用的电子建立一个真正好的量子力学理论非常具有挑战性，”德国基尔大学的理论物理学家迈克尔·博尼茨（没有参与这项新实验）说。他认为，由于这项研究，这些理论可以得到改进。“这项工作不仅在实验上很有趣，而且与应用相关，而且它也可以刺激理论，”他说。
先进的数学和计算模型对于改进离子在制造和材料分析中的应用非常重要。例如，为了制造半导体器件，工程师有时会通过用离子轰击材料来改变材料的电子结构。详细了解这些相互作用可以实现更精确的制造。
对于材料分析，科学家遵循玻尔的旧思路：他们希望使用测量离子与材料相互作用后的特性来揭示材料电子结构的细节。“高电荷离子可以充当放大镜，”普里梅茨霍夫说。更精确的理论模型将意味着更高的放大率。博尼茨进一步提出了这个想法。“问题是：你现在可以使用离子来研究未知材料，并从中获得其他工具无法获得的东西吗？”他说。
作为下一步，维也纳技术大学的研究人员计划探测他们自己设计的一种新的人造固体：这一次，他们希望通过将高电荷离子穿过与另一种材料交错的石墨烯堆叠，来了解高电荷离子如何与两种物质而不是一种物质相互作用。“最酷的是，这不仅适用于石墨烯，”尼加斯说。