一、【科学背景】
声子作为晶体晶格中原子集体振动形成的准粒子，其振动各向异性对低对称性材料的介电函数、光学响应及热输运特性具有关键调控作用。例如，二维α-MoO3薄膜中受限斯托克斯带内的各向异性光学声子可诱导面内极化激元的各向异性传播，层状MoS2中声学声子各向异性可导致面内与面外热导率比值高达900；明确声子振动各向异性的原子级规律，是理解材料宏观物理性能（如热膨胀、光学响应）根源及指导功能器件（如高效热管理器件、铁电存储器）设计的核心前提。
现有声子表征技术存在显著瓶颈：其一，空间分辨率低（微米级），仅能获取宏观尺度的平均振动信息，无法捕捉原子级别的振动差异；其二，能量分辨率不足，难以区分不同频率的声子模式，无法精准定位振动各向异性的临界转变能量；其三，元素与位点特异性差，无法实现单一元素（如氧原子）或同一元素不同晶体学位点（如顶点氧、赤道氧）的振动信号分离，导致无法建立原子振动与材料性能的直接关联。
二、【创新成果】
为攻克这一难题，美国加州大学尔湾分校材料科学与工程系潘晓晴教授、物理天文系武汝前教授以及瑞典乌普萨拉大学Ján Rusz课题组合作开发一种兼具原子级空间分辨率、亚10 meV能量分辨率及元素/位点特异性的表征方法——动量选择性电子能量损失谱（q-selective EELS）。通过该技术，精准揭示中心对称材料（如SrTiO3）与非中心对称材料（如BaTiO3）中，特定元素（重点为氧原子）在不同频率下的声子振动各向异性规律，明确振动各向异性随晶体对称性、铁电极化等因素的演变机制，从而建立原子级声子行为与材料宏观介电、铁电等性能的构效关系，为低对称性材料的性能调控及新型功能器件开发提供实验支撑。该成果以“Atomic-scale imaging of frequency-dependent phonon anisotropy”为题发表在国际学术期刊《Nature》。
图1. SrTiO3与BaTiO3薄膜振动光谱的采集 © 2025 Springer Nature Limited
图2. 不同能量范围内STO的q-Selective EELS声子信号图像 © 2025 Springer Nature Limited
图3. 不同能量范围内BTO的q-Selective EELS声子信号图像 © 2025 Springer Nature Limited
图4. 不同能量区间内STO与BTO中氧原子振动各向异性的定量分析 © 2025 Springer Nature Limited
图5. STO与BTO中氧原子的频率依赖热椭球模拟 © 2025 Springer Nature Limited
三、【科学启迪】
这项工作开发了动量选择性电子能量损失谱（q-selective EELS）技术，实现原子级空间分辨率（1.5 Å）、亚10 meV能量分辨率及元素/位点特异性的协同突破，可精准观测声子振动各向异性；以中心对称的STO和非中心对称的BTO为模型体系，发现STO中氧原子振动在60 meV以下呈扁球形热椭球、以上呈长球形热椭球，BTO中55 meV附近顶点氧与赤道氧的q选择信号因晶体对称性降低和铁电极化出现异常调制，且实验结果与深度学习势能模拟、频率分辨冻结声子多层法模拟定量吻合；该技术与机制研究不仅突破传统声子表征局限，还为揭示低对称性材料介电/铁电性能根源、设计超导与热管理器件提供关键支撑。
原文信息：Yan, X., Zeiger, P.M., Huang, Y. et al. Atomic-scale imaging of frequency-dependent phonon anisotropy. Nature (2025).
