Các nhà khoa học đã tiên phong phát triển một kỹ thuật hình ảnh hóa mới, cho phép quan sát trực tiếp tính bất đối xứng của phonon ở quy mô nguyên tử. Bước đột phá này mở ra khả năng nghiên cứu sự phụ thuộc theo hướng của các dao động nguyên tử, một hiện tượng từng được giả thuyết nhưng thiếu độ phân giải không gian và phổ chi tiết.
Phonon, các trạng thái lượng tử hóa của dao động trong mạng tinh thể, đóng vai trò then chốt trong các đặc tính vật liệu thiết yếu như dẫn nhiệt và phản ứng quang học. Tính bất đối xứng của các chế độ này, nghĩa là các đặc tính của chúng thay đổi tùy theo hướng, có ảnh hưởng quan trọng đến sự truyền nhiệt và phản ứng điện môi. Các phương pháp truyền thống chỉ cung cấp cái nhìn tổng hợp hoặc gián tiếp về các mẫu hình này.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một biến thể mới của kỹ thuật quang phổ mất năng lượng electron chọn lọc động lượng (momentum-selective electron energy-loss spectroscopy - EELS). Phương pháp tiên tiến này sử dụng chùm electron hội tụ cao để thăm dò các kích thích dao động với độ chính xác không gian nguyên tử và độ phân giải năng lượng chưa từng có. Bằng cách điều chỉnh kỹ thuật để truy cập chọn lọc các phonon có truyền động lượng cụ thể, họ đã đạt được thành tích phân tách các đối xứng và năng lượng phức tạp của sự dịch chuyển nguyên tử.
Để chứng minh phương pháp của mình, nhóm đã nghiên cứu các tinh thể perovskite như strontium titanate (SrTiO₃) và barium titanate (BaTiO₃). Trong strontium titanate, họ quan sát thấy sự bất đối xứng dao động rõ rệt của các nguyên tử oxy được phân tách theo các dải tần số. Các chế độ dưới khoảng 50 meV thể hiện hình elip dẹt, trong khi các chế độ trên 60 meV thể hiện hình elip thuôn dài, hình ảnh hóa biên độ dao động nguyên tử dọc theo các trục cụ thể. Nghiên cứu này cũng cho thấy rằng các nguyên tử Sr và Ti trong SrTiO₃ thể hiện các dao động đẳng hướng, trái ngược với các nguyên tử oxy có tính bất đối xứng phụ thuộc vào tần số.
Trong barium titanate, một vật liệu không có tâm đối xứng và có hoạt tính sắt điện, nghiên cứu đã tiết lộ những biến đổi tinh tế trong sự biến dạng của bát diện oxy. Những biến đổi này, không thể phát hiện bằng các phương pháp thông thường, biểu hiện dưới dạng sự thay đổi đặc trưng trong phản ứng dao động chọn lọc q giữa các nguyên tử oxy đỉnh và xích đạo gần 55 meV. Quan sát này nhấn mạnh độ nhạy của kỹ thuật đối với sự phá vỡ đối xứng và gợi ý một mối liên hệ trực tiếp với các đặc tính phân cực sắt điện của vật liệu.
Những phát hiện thực nghiệm này đã được xác nhận mạnh mẽ bởi mô hình hóa lý thuyết toàn diện. Các mô phỏng phức tạp đã bắc cầu dữ liệu thực nghiệm và các mẫu dịch chuyển nguyên tử, xác nhận cách giải thích về tính bất đối xứng dao động và sự phụ thuộc vào năng lượng của nó. Sự cộng hưởng giữa lý thuyết và thực nghiệm nâng cao sự tin cậy vào tính mạnh mẽ và khả năng ứng dụng rộng rãi của phương pháp.
Ý nghĩa của công trình này mở rộng sâu sắc vào việc hiểu các đặc tính điện môi, nhiệt và đàn hồi trong vật lý chất rắn. Tính bất đối xứng dao động ảnh hưởng cơ bản đến cách phonon tán xạ, lan truyền và tương tác với các quasiparticle khác, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vật liệu trong các ứng dụng nhiệt điện, quang điện tử và siêu dẫn. Kỹ thuật này hứa hẹn sẽ làm sáng tỏ các mối tương quan ẩn giữa dao động nguyên tử và các đặc tính vĩ mô.
Ngoài ra, bản chất phụ thuộc vào tần số của các tính bất đối xứng quan sát được đã làm sáng tỏ hành vi của cả phonon âm và phonon quang. Phonon âm, chịu trách nhiệm cho sự dẫn nhiệt và lan truyền âm thanh, có xu hướng thể hiện các đặc điểm bất đối xứng khác nhau so với phonon quang, vốn chiếm ưu thế trong tương tác ánh sáng-vật chất. Việc phân định chính xác tính bất đối xứng của các quần thể phonon này mở ra những con đường mới để điều khiển sự truyền nhiệt theo hướng.
Việc hình ảnh hóa dao động chọn lọc động lượng cũng khám phá một chiều không gian cho thách thức hiểu các hình elip nhiệt. Trước đây, các hình elip nhiệt được suy ra từ dữ liệu trung bình và các thí nghiệm nhiễu xạ. Phương pháp mới này giải quyết các biên độ dao động bất đối xứng trên cơ sở từng nguyên tử, tiết lộ cách các vị trí nguyên tử khác nhau trong cùng một mạng tinh thể tham gia khác nhau vào các chế độ phonon trên các thang năng lượng.
Thiết lập thực nghiệm liên quan đến sự phối hợp tỉ mỉ giữa kính hiển vi điện tử và phát hiện mất năng lượng có độ phân giải cao, đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt về độ ổn định và độ nhạy của thiết bị. Sự phát triển của phương pháp luận này nhấn mạnh năng lực kỹ thuật ấn tượng và tạo tiền đề cho những cải tiến trong quang phổ dao động được phân giải không gian.
Ngoài nghiên cứu cơ bản, khả năng này còn hứa hẹn các ứng dụng trong hóa học và sinh học, nơi các chế độ dao động ở quy mô nano ảnh hưởng đến tương tác phân tử. Với những cải tiến hơn nữa, phương pháp này có thể được điều chỉnh để đặc trưng hóa hành vi dao động bất đối xứng trong các tập hợp phân tử phức tạp, vật chất mềm hoặc vật liệu sinh học.
Tóm lại, nghiên cứu tiên phong này định nghĩa lại khả năng hình ảnh hóa tính bất đối xứng của phonon với độ phân giải không gian và năng lượng tinh tế. Bằng cách làm sáng tỏ bản chất định hướng của các dao động nguyên tử ở quy mô nguyên tố, nghiên cứu mở ra những chân trời mới rộng lớn cho việc khám phá và điều khiển các đặc tính vật liệu. Phương pháp này được dự đoán sẽ trở thành một tài sản không thể thiếu trong việc kỹ thuật hóa các vật liệu có chức năng quang học, điện tử và nhiệt được tăng cường.