Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Ίρβαϊν, σε συνεργασία με διεθνείς εταίρους, ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο ηλεκτρονικής μικροσκοπίας που επέτρεψε την πρώτη απεικόνιση φωνόνιων – δηλαδή ατομικών κραδασμών – σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις σε ατομική κλίμακα.
Σε πολλά κρυσταλλικά υλικά, τα άτομα δονούνται διαφορετικά ανάλογα με την κατεύθυνση. Αυτή η ιδιότητα, γνωστή ως δομική ανισοτροπία των κραδασμών (vibrational anisotropy), επηρεάζει σημαντικά τη διηλεκτρική, θερμική και ακόμη και υπεραγώγιμη συμπεριφορά των υλικών. Η εις βάθος κατανόηση αυτής της ανισοτροπίας επιτρέπει στους μηχανικούς να προσαρμόζουν υλικά για χρήση σε ηλεκτρονικά, ημιαγωγούς, οπτικά συστήματα και κβαντικούς υπολογιστές.
Μια νέα τεχνική με θεμελιώδεις εφαρμογές
Σε δημοσίευση στο περιοδικό Nature, η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το UC Irvine παρουσιάζει την τεχνική momentum-selective electron energy-loss spectroscopy (EELS), η οποία αποκαλύπτει τη βασική δυναμική του πλέγματος σε λειτουργικά υλικά.
Η ομάδα χρησιμοποίησε το σύστημα μικροσκοπίας EELS για να μελετήσει το στρόντιο τιτανικό και το βάριο τιτανικό, δύο οξείδια τύπου περοβσκίτη με διαφορετικές θερμοηλεκτρικές, οπτικές, πιεζοηλεκτρικές και σιδηροηλεκτρικές ιδιότητες. Συλλέγοντας δονητικά σήματα ανά άτομο και σε επιλεγμένες κατευθύνσεις, οι επιστήμονες παρατήρησαν διαφορές στην ανισοτροπική συμπεριφορά των ακουστικών και οπτικών φωνόνιων μεταξύ των δύο υλικών.
Αμφισβήτηση των παραδοσιακών θεωριών
«Οι τροποποιημένοι ανισότροποι κραδασμοί δίνουν μετρήσεις εντελώς διαφορετικές από εκείνες που προκύπτουν από ολόκληρους κρυστάλλους και ολοκληρωμένα φάσματα ενέργειας», δήλωσε ο συγγραφέας Xiaoqing Pan, κάτοχος της Έδρας Henry Samueli και Καθηγητής Μηχανολογίας Υλικών, Φυσικής και Αστρονομίας στο UC Irvine, καθώς και διευθυντής του Ινστιτούτου Έρευνας Υλικών του πανεπιστημίου.
«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ξεκάθαρα ότι οι συλλογικοί ατομικοί κραδασμοί σε κρυστάλλους υφίστανται διακυμάνσεις σε ατομικό επίπεδο ανάλογα με τα στοιχεία και τις θέσεις των ατόμων, αμφισβητώντας το παραδοσιακό μοντέλο που υποθέτει ομοιόμορφη κατανομή των κυματοσυναρτήσεων των φωνόνιων».
Χάρτης των κραδασμών με ανάλυση χωρίς προηγούμενο
Ο Pan πρόσθεσε ότι η νέα τεχνική μικροσκοπίας επιτρέπει στους επιστήμονες υλικών να χαρτογραφούν την ανισοτροπία των κραδασμών με απαράμιλλη χωρική και ενεργειακή ανάλυση σε ευρύ φάσμα υλικών.
«Τα ευρήματα της ομάδας συμφωνούν στενά με θεωρητικές προβλέψεις», ανέφερε ο συν-συγγραφέας Ruqian Wu, καθηγητής Φυσικής και Αστρονομίας στο UC Irvine.
Εφαρμογές σε υπεραγωγούς και κβαντικά φαινόμενα
«Αυτή η εργασία ανοίγει τον δρόμο για περαιτέρω μελέτες σε κρίσιμα φωνονικά φαινόμενα, όπως μεταβάσεις φάσης σιδηροηλεκτρικών, η προέλευση της σιδηροηλεκτριστικότητας και ο ρόλος των θέσεων του οξυγόνου στις αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων-φωνόνιων σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας».
Στην ομάδα του UC Irvine συμμετείχαν επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Uppsala (Σουηδία), το Πανεπιστήμιο Nanjing και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας και Μηχανικής Υλικών Ningbo (Κίνα).
More information: Xingxu Yan et al, Atomic-scale imaging of frequency-dependent phonon anisotropy, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09511-z
Journal information: Nature
Provided by University of California, Irvine
