原子分辨率下频率依赖性声子各向异性的成像研究

来自国际研究团队开发了动量选择性电子能量损失谱新技术，实现了原子级分辨率下元素分辨的频率与对称性依赖振动各向异性成像，成功在SrTiO3和BaTiO3中观测到氧振动模式的各向异性差异，为理解声子调控的介电与热学行为提供了新视角。

通过新型动量选择性电子能量损失谱（momentum-selective electron energy-loss spectroscopy）技术，科学家首次实现了在原子分辨率下对频率与对称性依赖的声子振动各向异性进行元素分辨成像。振动各向异性表现为正交原子位移的不同范数，即热椭球体（thermal ellipsoids）的形态差异。在以 centrosymmetric 的 SrTiO₃为模型的研究中，研究人员观察到两种截然不同的氧振动模式：低于60 meV的能量区间呈现扁圆形（oblate）热椭球体，而高于60 meV时则变为长圆形（prolate）热椭球体。在非 centrosymmetric 的 BaTiO₃中，该技术探测到氧八面体的细微畸变，并通过在55 meV附近 apical 与 equatorial 氧位点之间q选择性信号的意外调制，揭示了晶体对称性降低带来的影响，这一现象也可能与铁电极化（ferroelectric polarization）密切相关。这些发现均通过理论建模得到定量验证，彰显了该方法的可靠性。所测得的频率依赖声子各向异性为理解由声学声子（acoustic phonons）和光学声子（optical phonons）主导的介电和热学行为提供了新的依据。该技术以空前的空间与能量分辨率可视化特定晶体学位点的声子本征矢量，为探索介电、光学、热学和超导特性开辟了新途径。