Penelitian terbaru telah memperkenalkan teknik pencitraan revolusioner yang memungkinkan visualisasi langsung anisotropi fonon pada skala atom. Kemajuan ini memungkinkan para ilmuwan untuk mengamati ketergantungan arah getaran atom, sebuah fenomena yang sebelumnya sulit divisualisasikan dengan resolusi spasial dan spektral yang memadai. Fonon, yang merupakan kuantisasi getaran dalam kisi kristal, sangat penting dalam menentukan sifat material seperti konduktivitas termal dan respons optik. Anisotropi fonon, yang berarti sifatnya bervariasi tergantung arah, krusial untuk perpindahan panas dan respons dielektrik.
Teknik konvensional sebelumnya hanya memberikan gambaran rata-rata atau tidak langsung mengenai pola-pola ini. Tim peneliti memanfaatkan varian baru dari spektroskopi kehilangan energi elektron selektif momentum (momentum-selective electron energy-loss spectroscopy - EELS). Metode canggih ini menggunakan berkas elektron yang sangat terfokus untuk menyelidiki eksitasi vibrasional dengan presisi spasial atomik dan diskriminasi energi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dengan menyesuaikan teknik ini untuk secara selektif mengakses fonon dengan transfer momentum tertentu, mereka berhasil memisahkan simetri kompleks dan energi perpindahan atomik.
Untuk mendemonstrasikan metode mereka, tim mempelajari kristal perovskit seperti strontium titanat (SrTiO₃) dan barium titanat (BaTiO₃). Dalam strontium titanat, mereka mengamati anisotropi vibrasional yang berbeda dari atom oksigen yang tersegregasi berdasarkan rentang frekuensi. Mode di bawah sekitar 60 meV menunjukkan elipsoid termal oblate, sementara mode di atas 60 meV menunjukkan elipsoid prolate, memvisualisasikan amplitudo getaran atom di sepanjang sumbu tertentu. Di barium titanat, material non-sentrosimetris dan aktif secara ferroelektrik, penelitian ini mengungkap variasi halus dalam distorsi oktahedra oksigen. Modulasi ini, yang tidak terdeteksi oleh metode konvensional, bermanifestasi sebagai variasi karakteristik dalam respons vibrasional selektif-q antara atom oksigen apikal dan ekuatorial di dekat 55 meV. Pengamatan ini menyoroti sensitivitas teknik terhadap pemecahan simetri dan mengisyaratkan hubungan langsung dengan sifat polarisasi ferroelektrik material.
Temuan empiris ini sangat didukung oleh pemodelan teoretis yang komprehensif. Simulasi canggih menjembatani data eksperimental dan pola perpindahan atomik, memvalidasi interpretasi anisotropi vibrasional dan ketergantungan energinya. Sinergi antara teori dan eksperimen meningkatkan kepercayaan pada ketahanan metodologi dan penerapan yang luas. Teknik pencitraan skala atom ini, yang dikembangkan oleh tim yang dipimpin UC Irvine, memungkinkan deteksi ketergantungan arah getaran dalam padatan, yang merupakan faktor kunci dalam berbagai teknologi seperti manajemen panas, ferroelektrik, dan superkonduktivitas. Implikasi dari pekerjaan ini meluas secara mendalam ke pemahaman sifat dielektrik, termal, dan elastis dalam fisika zat padat. Anisotropi vibrasional secara fundamental memengaruhi cara fonon tersebar, merambat, dan berinteraksi dengan kuasipartikel lain, secara langsung berdampak pada kinerja material dalam termoelektrik, optoelektronik, dan superkonduktor. Teknik ini menjanjikan untuk mengungkap korelasi tersembunyi antara getaran atom dan sifat makroskopik.
Selain itu, ketergantungan frekuensi dari anisotropi yang diamati memberikan wawasan baru tentang perilaku fonon akustik dan optik. Fonon akustik, yang bertanggung jawab atas konduksi panas dan perambatan suara, cenderung menunjukkan karakteristik anisotropik yang berbeda dibandingkan fonon optik, yang mendominasi interaksi cahaya-materi. Penentuan yang tepat dari anisotropi populasi fonon ini membuka jalan untuk memanipulasi transportasi termal secara terarah. Pencitraan vibrasional selektif momentum juga mengungkap dimensi spasial dari tantangan dalam memahami elipsoid termal. Sebelumnya, elipsoid termal disimpulkan dari data rata-rata dan eksperimen difraksi. Metode baru ini menyelesaikan amplitudo vibrasional anisotropik pada basis per-atom, mengungkap bagaimana situs atom yang berbeda dalam kisi yang sama berpartisipasi secara beragam dalam mode fonon di berbagai skala energi. Kemajuan dalam teknologi EELS, termasuk pengembangan spektroskopi kehilangan energi elektron empat dimensi (4D-EELS), memungkinkan penangkapan informasi spektral secara simultan di seluruh dimensi spasial, momentum, dan energi dengan efisiensi yang belum pernah terjadi sebelumnya, yang mengarah pada penemuan ilmiah penting seperti pemetaan dispersi fonon. Di luar penelitian fundamental, kemampuan ini menjanjikan aplikasi dalam kimia dan biologi, di mana mode vibrasional skala nano memengaruhi interaksi molekuler. Dengan penyempurnaan lebih lanjut, pendekatan ini dapat diadaptasi untuk mengkarakterisasi perilaku vibrasional anisotropik dalam rakitan molekuler kompleks, materi lunak, atau biomaterial.
Kesimpulannya, penelitian perintis ini mendefinisikan ulang kapasitas kita untuk memvisualisasikan anisotropi fonon dengan resolusi spasial dan energi yang luar biasa. Dengan menerangi sifat arah getaran atom pada skala elemental, studi ini membuka cakrawala baru yang luas untuk eksplorasi dan manipulasi sifat material. Pendekatan ini siap menjadi aset yang sangat diperlukan dalam merekayasa material dengan fungsionalitas optik, elektronik, dan termal yang ditingkatkan.