科學家們開發出革命性的成像技術，能夠直接視覺化晶體材料中原子尺度的聲子各向異性。這項突破使研究人員能夠探測和觀察原子振動的方向性依賴性，這是一種長期以來被假設但缺乏全面空間和光譜解析度的現象。
聲子，即晶格中振動的量子化模式，決定了材料的關鍵性質，如導熱性和光學響應。這些模式的各向異性，意即其性質隨方向變化，在熱傳導和介電響應中扮演著至關重要的角色。傳統技術僅能提供平均或間接的觀察。
該研究團隊採用了一種新穎的動量選擇性電子能量損失光譜（EELS）變體。這項尖端方法利用高度聚焦的電子束，以原子空間精度和前所未有的能量解析度探測振動激發。透過精確調整技術以選擇性地獲取特定動量轉移的聲子，他們成功地解析了原子位移的複雜對稱性和能量。
為了展示其方法，團隊研究了鈣鈦礦晶體鈦酸ストロンチウム（SrTiO₃）和鈦酸鋇（BaTiO₃）。在鈦酸ストロンチウム中，他們觀察到因頻率範圍而異的氧原子振動各向異性。約 60 meV 以下的模式呈現扁橢球體，而高於 60 meV 的模式則呈現長橢球體，這直觀地展示了原子振動幅度沿特定軸的差異。
在鈦酸鋇這種非中心對稱且具有鐵電活性的材料中，研究揭示了氧八面體畸變的細微變化。這些變化，是傳統方法無法偵測的，在接近 55 meV 的頻率下，表現為頂端和赤道氧原子之間 q-選擇性振動響應的特徵性差異。此觀察突顯了該技術對對稱性破壞的敏感性，並暗示了與材料鐵電極化性質的直接聯繫。
這些實驗發現得到了全面理論模型的強烈支持。複雜的模擬將實驗數據與原子位移模式聯繫起來，驗證了振動各向異性及其能量依賴性的解釋。理論與實驗的協同作用增強了該方法學的穩健性和廣泛適用性的信心。
這項工作對於理解固態物理中的介電、熱和彈性性質具有深遠的影響。振動各向異性從根本上影響聲子的散射、傳播和與其他準粒子的相互作用，直接影響材料在熱電、光電子和超導體中的性能。該技術有望揭示原子振動與宏觀性質之間隱藏的關聯。
此外，觀察到的各向異性的頻率依賴性為理解聲學和光學聲子行為提供了新的視角。負責熱傳導和聲波傳播的聲學聲子，其各向異性特徵通常與主導光-物質相互作用的光學聲子不同。精確劃分這些聲子族群的各向異性，為定向調控熱傳輸開闢了途徑。
動量選擇性振動成像還為理解熱橢球體提供了空間維度的視角。先前，熱橢球體是從平均數據和衍射實驗中推斷出來的。新方法能夠解析每個原子的各向異性振動幅度，揭示同一晶格內不同原子位置如何參與不同能量尺度的聲子模式。
該技術的進步，特別是動量解析 EELS 的發展，使得能夠在原子尺度上精確繪製聲子行為圖譜。例如，在鈦酸ストロンチウム中觀察到的氧原子振動各向異性，其頻率依賴性揭示了聲子模式的複雜性，這對於理解和預測材料的熱學和介電性能至關重要。研究顯示，約 60 meV 以下的聲子模式呈現扁平的熱橢球體，而高於此頻率的模式則呈現長橢球體，這為材料設計提供了關鍵的微觀見解。
這項開創性研究重新定義了我們以極高的空間和能量解析度視覺化聲子各向異性的能力。透過照亮元素尺度上原子振動的方向性，該研究為探索和操控材料性質開闢了廣闊的新視野。該方法有望成為工程化具有增強光學、電子和熱功能的材料的不可或缺的資產。