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北京大學(xué)物理學(xué)院高鵬、陳基、王恩哥院士課題組等與材料科學(xué)與工程學(xué)院劉磊等課題組合作，首次實現(xiàn)了在原子尺度上對同位素界面的研究。該研究成果以《同位素界面上的聲子轉(zhuǎn)變》為題于日前在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》發(fā)表。

據(jù)介紹，原子尺度上探測同位素界面極具挑戰(zhàn)，目前具有原子尺度分辨能力的實驗技術(shù)只有掃描探針顯微鏡和透射電子顯微鏡技術(shù)，而前者只能探測表面，后者雖然可以探測包埋的界面，但所有的電鏡成像和電子衍射技術(shù)都只對質(zhì)子數(shù)目敏感而對中子不敏感，因此無法識別同位素。北大團隊利用透射電鏡的非彈性散射技術(shù)，根據(jù)同位素聲子能量的差異，首次在原子尺度上實現(xiàn)了對同位素界面的識別和探測。由于同位素技術(shù)廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生命科學(xué)領(lǐng)域，因此該工作展示了電鏡在這些方面巨大的應(yīng)用潛力。此外，由于自然界中絕大部分物質(zhì)都是同位素混合物，該工作也表明同位素之間會產(chǎn)生新的界面效應(yīng)從而改變局域的物理性質(zhì)，為理解天然材料的物性提供了新視角。

在各種物質(zhì)界面中，同位素界面非常特殊，它兩側(cè)物質(zhì)的質(zhì)子、電子結(jié)構(gòu)完全一樣，不同的只是中子數(shù)目。但由于技術(shù)原因，關(guān)于同位素界面及其可能存在的物性影響在以前很少被討論。近年來，高鵬課題組基于掃描透射電子顯微鏡發(fā)展了“四維電子能量損失譜測量技術(shù)”，克服了傳統(tǒng)譜學(xué)無法同時具備高動量分辨和納米級空間分辨的缺點，將聲子色散探測的空間分辨提升至納米甚至亞納米量級，為原子尺度上探測同位素界面物性提供了可能。

本次研究中，北大團隊制備了高純度的h-10BN和h-11BN材料，并且堆垛得到人工的同位素范德華界面。他們利用h-BN材料聲子能帶的特點，將電子能量損失譜的空間分辨率設(shè)置在原子分辨尺度，同時又具備區(qū)分布里淵區(qū)中心的小動量聲子和布里淵區(qū)邊界的大動量聲子能力，從而測量同位素界面處的聲子行為。他們發(fā)現(xiàn)界面處的面外振動的光學(xué)聲子模式在界面處是逐漸過渡的，存在遠高于常規(guī)界面聲子的離域行為，離域度高達五至十倍的晶格常數(shù)，并且小動量聲子的離域性比大動量的更顯著。團隊分析認(rèn)為，同位素聲子的不同振幅導(dǎo)致了振動偶極子大小的差異，從而引起界面處存在一定的電荷積累。這些電荷通過電聲耦合效應(yīng)使得聲子離域化，并且積累的電荷密度與動量轉(zhuǎn)移相關(guān)，這也解釋了動量依賴的聲子離域行為。

“這些發(fā)現(xiàn)為我們理解天然材料中的同位素效應(yīng)提供了一個全新角度，并為通過同位素工程設(shè)計新功能提供了線索。這些結(jié)果也表明，具有原子級空間分辨和動量分辨能力的電鏡電子能量損失譜技術(shù)，在同位素示蹤、原子核量子效應(yīng)探測方面的巨大潛力?！备啭i說。（記者晉浩天）