一项革命性的成像技术已被开发出来，能够直接在原子尺度上可视化声子各向异性，即原子振动的方向依赖性。这一重大进展填补了此前科学家们虽长期推测但缺乏空间和光谱分辨率来探测和观察这些现象的空白。
声子是晶格振动的量子化模式，它们决定了材料如热导率和光学响应等基本性质。这些模式的各向异性——性质随方向变化——在热传递和介电响应中起着至关重要的作用。以往的技术只能提供平均或间接的观察。
研究团队采用了一种新颖的动量选择性电子能量损失谱（EELS）变体。该尖端方法利用高度聚焦的电子束，以原子空间精度和前所未有的能量分辨能力探测振动激发。通过精确调整技术以选择性地获取特定动量转移的声子，研究人员成功分离了复杂的原子位移对称性和能量。
为了展示其方法，团队研究了钙钛矿晶体钛酸锶（SrTiO₃）和钛酸钡（BaTiO₃）。在钛酸锶中，他们观察到按频率范围分隔的氧原子存在独特的振动各向异性。低于约60 meV的模式表现出扁椭球形，而高于60 meV的模式则呈现长椭球形，直观地显示了原子振幅沿特定轴向的差异。在钛酸钡中，研究揭示了氧八面体畸变中的细微变化，这些变化通过常规方法无法检测到。在接近55 meV时，这些调制表现为尖端和赤道氧原子之间q选择性振动响应的特征性变化，突显了该技术对对称性破缺的敏感性，并暗示了其与材料铁电极化特性的直接联系。
这些实验发现得到了全面理论建模的有力支持。复杂的模拟将实验数据与原子位移模式相结合，验证了振动各向异性及其能量依赖性的解释。理论与实验的协同作用增强了该方法稳健性和广泛适用性的信心。
这项研究的意义深远，有助于深入理解固态物理中的介电、热和弹性性质。振动各向异性从根本上影响声子的散射、传播以及与其他准粒子的相互作用，直接关系到材料在热电器件、光电子器件和超导体中的性能。该技术有望揭示原子振动与宏观性质之间隐藏的关联。
此外，观察到的各向异性的频率依赖性也为理解声学和光学声子行为提供了新的视角。精确区分这些声子群的各向异性，为定向调控热传输开辟了道路。
动量选择性振动成像还揭示了理解热椭球体的空间维度挑战。新方法能够解析每个原子的各向异性振动幅度，揭示同一晶格中不同原子位点如何跨能量尺度以不同方式参与声子模式。
该技术在材料科学领域的发展，与拉曼光谱、红外光谱等其他振动光谱技术相辅相成。虽然这些传统技术提供了分子层面的丰富信息，但新的EELS方法以前所未有的原子分辨率和能量分辨率，为研究振动动力学提供了新途径，有助于更深入地理解材料特性，并可能指导设计具有特定功能的材料。
这项开创性研究通过在元素尺度上揭示原子振动的方向性，重新定义了我们可视化声子各向异性的能力。该研究为探索和调控材料特性开辟了广阔的新视野，有望成为工程化具有增强光学、电子和热学功能的材料不可或缺的工具。