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　　光明日報北京5月4日電（記者晉浩天）北京大學物理學院高鵬、陳基、王恩哥院士課題組等與(yu) 材料科學與(yu) 工程學院劉磊等課題組合作，首次實現了在原子尺度上對同位素界麵的研究。該研究成果以《同位素界麵上的聲子轉變》為(wei) 題於(yu) 日前在國際學術期刊《自然·通訊》發表。

　　據介紹，原子尺度上探測同位素界麵極具挑戰，目前具有原子尺度分辨能力的實驗技術隻有掃描探針顯微鏡和透射電子顯微鏡技術，而前者隻能探測表麵，後者雖然可以探測包埋的界麵，但所有的電鏡成像和電子衍射技術都隻對質子數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，根據同位素聲子能量的差異，首次在原子尺度上實現了對同位素界麵的識別和探測。由於(yu) 同位素技術廣泛應用於(yu) 化學、生命科學領域，因此該工作展示了電鏡在這些方麵巨大的應用潛力。此外，由於(yu) 自然界中絕大部分物質都是同位素混合物，該工作也表明同位素之間會(hui) 產(chan) 生新的界麵效應從(cong) 而改變局域的物理性質，為(wei) 理解天然材料的物性提供了新視角。

　　在各種物質界麵中，同位素界麵非常特殊，它兩(liang) 側(ce) 物質的質子、電子結構完全一樣，不同的隻是中子數目。但由於(yu) 技術原因，關(guan) 於(yu) 同位素界麵及其可能存在的物性影響在以前很少被討論。近年來，高鵬課題組基於(yu) 掃描透射電子顯微鏡發展了“四維電子能量損失譜測量技術”，克服了傳(chuan) 統譜學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(ya) 納米量級，為(wei) 原子尺度上探測同位素界麵物性提供了可能。

　　本次研究中，北大團隊製備了高純度的h-10BN和h-11BN材料，並且堆垛得到人工的同位素範德華界麵。他們(men) 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置在原子分辨尺度，同時又具備區分布裏淵區中心的小動量聲子和布裏淵區邊界的大動量聲子能力，從(cong) 而測量同位素界麵處的聲子行為(wei) 。他們(men) 發現界麵處的麵外振動的光學聲子模式在界麵處是逐漸過渡的，存在遠高於(yu) 常規界麵聲子的離域行為(wei) ，離域度高達五至十倍的晶格常數，並且小動量聲子的離域性比大動量的更顯著。團隊分析認為(wei) ，同位素聲子的不同振幅導致了振動偶極子大小的差異，從(cong) 而引起界麵處存在一定的電荷積累。這些電荷通過電聲耦合效應使得聲子離域化，並且積累的電荷密度與(yu) 動量轉移相關(guan) ，這也解釋了動量依賴的聲子離域行為(wei) 。

　　“這些發現為(wei) 我們(men) 理解天然材料中的同位素效應提供了一個(ge) 全新角度，並為(wei) 通過同位素工程設計新功能提供了線索。這些結果也表明，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，在同位素示蹤、原子核量子效應探測方麵的巨大潛力。”高鵬說。

　　《光明日報》（ 2023年05月05日 08版）