北京大学张江
计算出的块体立方氮化硼(绿色)和金刚石(蓝色)的声子色散
测量界面上的鳗鱼线轮廓
横轴的原点在界面处
蓝色和白色箭头是眼睛的向导，标志着立方氮化硼声子的强度降低和金刚石光学声子的能量转移
投射到原子层上的计算声子散射
d、计算的电子能谱散射截面
e，在cBN(绿色)、钻石(蓝色)和界面(红色)获得的EEL光谱
具有梯度填充的黑色曲线是不能表示为两个体光谱的线性组合的界面成分
f、相应的计算结果
能量过滤的鳗鱼地图
重叠的线是平均强度分布，为了清晰起见，对其对比度进行了调整
每个地图顶部的小嵌入条是计算地图
能量积分窗口由每个地图左上角的数字(以兆电子伏为单位)表示，并以e为阴影
在所有颜色映射中，颜色下限固定为零
学分:北京大学物理学院 声子——描述固体晶格振动的准粒子——直接决定了固态系统的各种性质，如热导率、电子迁移率、结构稳定性和常规超导性
因为在真实的低维晶体中，声子结构依赖于真实空间和互易空间，所以实验测量它们是非常困难的
在最近发表在《自然》杂志上的一篇论文中，北京大学的一个研究小组由教授领导
高鹏通过使用他们新开发的称为4d-EELS的技术解决了这个问题
他们成功地测量了声子模式(即
e
状态密度、空间分布和色散关系)
这项研究有助于理解和控制固体界面的性质
声子的理论描述在上个世纪得到了很好的发展，如诺贝尔奖获得者梅克斯·玻恩和中国物理学家黄昆的名著《晶格动力学理论》
还开发了各种实验探针来测量声子特性
在两个晶体之间的界面处，由于平移对称性的破坏，可以出现不同于两种体材料的新声子模式
几十年前，人们预测界面处存在声子模式，但迄今为止，这些模式仍无法通过直接实验观察到，因为它们仅限于界面附近的几个原子层内
要探测它们，同时需要纳米空间分辨率、毫伏能量分辨率和超高探测灵敏度；为了进一步测量它们的色散关系和相关性质，还需要动量分辨率
没有一种传统的光谱技术能够满足这些严格的要求
今年早些时候，北京大学的研究小组开发了一种基于扫描透射电子显微镜的电子能量损失光谱技术
这项技术提供了高空间、能量和动量分辨率以及高探测灵敏度，实现了纳米级声子色散测量(《自然通讯》，12，1179 (2021))
它可以在空间分辨率和动量分辨率之间实现良好的平衡，仅比衍射极限差约15%——衍射极限是不确定性原理设定的最终理论界限
在他们发表于《自然》杂志的题为“测量界面处的声子色散”的新论文中，作者以立方氮化硼/金刚石异质界面为例，首先在原子尺度上测量了态的局域声子密度，并成功地观察到了位于界面处的声子模和与界面隔离的声子模
然后他们用仔细平衡的空间和动量分辨率测量了界面模式的色散关系
实验观察与第一性原理计算非常一致
预期观察到的界面模式会显著影响界面上的热导和界面处二维电子气体的载流子迁移率
测量局部声子色散的能力在研究拓扑界面声子模式甚至理解界面超导性方面也应该是有用的
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