Учёные впервые визуализировали направленные атомные колебания с атомарным разрешением

Схема установки q-селективной EELS. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09511-z

Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне совместно с международными коллегами разработали новый метод электронной микроскопии, который позволил впервые визуализировать колебания атомов (фононы) в определённых направлениях с атомарным разрешением.

Во многих кристаллических материалах атомы вибрируют по-разному вдоль различных направлений — свойство, известное как колебательная анизотропия, которое сильно влияет на их диэлектрические, тепловые и даже сверхпроводящие свойства. Более глубокое понимание этой анизотропии позволяет инженерам создавать материалы с заданными свойствами для использования в электронике, полупроводниках, оптике и квантовых вычислениях.

В статье, опубликованной в журнале Nature, команда из UC Irvine подробно описывает работу своей методики спектроскопии потерь энергии электронами с селекцией по импульсу и её способность раскрывать фундаментальную динамику решётки функциональных материалов.

Исследователи использовали свою систему EELS-микроскопа для изучения титаната стронция и титаната бария — двух перовскитных оксидов, различающихся своими термоэлектрическими, оптическими, пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами. Собирая колебательные сигналы от атома к атому вдоль выбранных направлений, они наблюдали различия в анизотропном поведении акустических и оптических фононов для двух материалов.

«Изменённые анизотропные колебания дают измерения, совершенно отличные от тех, которые получены от целых кристаллов и интегрированы по полным энергетическим диапазонам», — сказал соавтор исследования Сяоцин Пан, профессор материаловедения, инженерии, физики и астрономии в UC Irvine.

«Наши результаты также ясно продемонстрировали, что коллективные атомные колебания в кристаллах претерпевают атомно-уровневые флуктуации в зависимости от элементов и атомных позиций, что бросает вызов традиционной модели, предполагающей равномерное распределение фононных волновых функций».

Пан добавил, что новый метод микроскопии позволяет специалистам по материалам картировать колебательную анизотропию с беспрецедентным пространственным и энергетическим разрешением в широком диапазоне материалов.

«Результаты команды тесно согласуются с теоретическими предсказаниями», — сказал старший соавтор Руцянь У, профессор физики и астрономии в UC Irvine.

«Эта работа открывает двери для дальнейших исследований критических фононных явлений, включая сегнетоэлектрические фазовые переходы, происхождение сегнетоэлектричества и роль кислородных центров в формировании электрон-фононных взаимодействий в высокотемпературных сверхпроводниках».

В проекте также участвовали учёные из Уппсальского университета (Швеция), Нанкинского университета и Нинбоского института технологии и инженерии материалов (Китай).

Дополнительная информация: Xingxu Yan et al, Atomic-scale imaging of frequency-dependent phonon anisotropy, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09511-z