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原子级成像揭示莫尔声子的新视角：电子叠层成像技术突破

作者与发表信息
本研究的通讯作者为Pinshane Y. Huang（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程系），合作团队包括Yichao Zhang、Ballal Ahammed等来自伊利诺伊大学、马里兰大学的多位研究者。研究发表于Science期刊2025年7月24日第423卷，标题为《Atom-by-atom imaging of moiré phasons with electron ptychography》。

学术背景
研究领域聚焦于二维材料的莫尔声子（moiré phonons），这是由双层扭转材料（如二硒化钨WSe₂）的莫尔超晶格（moiré superlattice）产生的独特振动模式。传统光谱技术（如拉曼光谱）仅能探测高频光学声子，而理论预测的相位子（phasons）——一种超低频声子（频率低至0.1 cm⁻¹）——因技术限制长期未被直接观测。相位子被认为是影响材料热传导、电荷输运和超导性的关键因素。本研究旨在通过电子叠层成像（electron ptychography）技术实现原子级振动成像，揭示相位子的空间分布与热振动特性。

研究方法与流程
1. 样品制备与成像
- 研究对象为不同扭转角度（1.7°、2.45°、6.0°）的WSe₂双层结构，通过机械剥离与堆叠技术制备。
- 使用像差校正环形暗场扫描透射电镜（ADF-STEM）定位莫尔超晶格区域，随后采用多层电子叠层成像（MEP）技术，分辨率达15皮米（pm），可捕捉原子热振动引起的图像模糊。

1. 分辨率提升与数据处理

   • 开发扩展景深算法（EDF），将信息传递极限从0.32 Å提升至0.29 Å，显著改善原子对的分辨能力（图1g-h）。
     
   • 通过二维高斯拟合提取单个钨（W）原子的振动椭球参数（长/短轴均方根宽度、取向），排除邻近原子投影干扰。
     

2. 理论与实验结合

   • 分子动力学（MD）模拟：计算300 K下原子热振动概率密度函数（PDF），预测不同堆叠区域（AA、AB、孤子）的振动各向异性。
     
   • 晶格动力学计算：揭示相位子本征模式，显示振动集中于孤子（soliton）和AA堆叠区，且双层原子运动方向相反（图2f-h）。
     

3. 振动分析

   • 实验数据与MD结果对比，验证相位子特征：孤子区振动幅度增大且方向平行于孤子网络，AA区振动各向同性增强（图3c-e）。
     
   • 通过去卷积处理分离非热贡献（如原子势宽度），量化热振动幅度（σaa=6.8±0.2 pm，σab=6.0±0.2 pm）。
     

主要结果
1. 相位子的直接观测
- 在1.7°扭转角样品中，孤子区域的W原子振动幅度显著高于AB区，且方向与孤子网络对齐（图2d-e），与理论预测的相位子空间局域化特性一致。
- MD模拟显示，相位子贡献了低扭转角样品中80%以上的热振动能量。

1. 扭转角依赖性

   • 随着扭转角增大（如6.0°），莫尔重构减弱，相位子的局域化特征逐渐消失（图4），证实其与超晶格软弹性网络的关联性。
     

2. 技术突破

   • MEP首次实现原子级热振动成像，空间分辨率较传统衍射方法（如X射线散射）提高一个数量级。
     

结论与意义
本研究通过电子叠层成像技术，首次直接揭示了莫尔相位子的原子级振动行为，验证了其作为超低频声子的理论预测。科学价值体现在：
1. 方法论创新：MEP为研究缺陷、界面等非均匀振动模式提供了通用工具。
2. 物理机制阐明：相位子主导低扭转角双层材料的热振动，为理解其热导率、超导性等物性提供了新视角。
3. 应用潜力：通过调控扭转角可优化二维材料的热管理和电子输运性能。

研究亮点
1. 技术突破：15 pm分辨率刷新振动成像纪录，EDF算法解决原子对模糊问题。
2. 理论验证：实验与MD、晶格动力学计算的定量吻合，强化了相位子理论的可靠性。
3. 跨尺度关联：将原子振动与宏观物性（如热导）通过莫尔超晶格结构直接关联。

补充价值
研究数据已公开于Zenodo平台（DOI:10.5281/zenodo.15283332），代码与算法细节可供复现。团队开发的EDF算法有望推广至其他电子显微成像领域。