摘要：一个全新的原子振动世界正在科学家面前展开。美国研究团队利用突破性的电子叠层衍射成像技术，首次直接观察到了被称为"莫尔相子"的极低能量原子振动模式，空间分辨率达到惊人的15皮米——相当于原子直径的十分之一。这项发表在《科学》杂志上的研究不仅验证了长期存在的理论预

信息来源：https://physicsworld.com/a/highest-resolution-images-ever-taken-of-a-single-atom-reveal-new-kind-of-vibrations/

一个全新的原子振动世界正在科学家面前展开。美国研究团队利用突破性的电子叠层衍射成像技术，首次直接观察到了被称为"莫尔相子"的极低能量原子振动模式，空间分辨率达到惊人的15皮米——相当于原子直径的十分之一。这项发表在《科学》杂志上的研究不仅验证了长期存在的理论预测，更为量子材料的设计和应用开辟了全新道路。

马里兰大学的张逸超教授与伊利诺伊大学香槟分校的黄平沙恩教授共同领导的研究团队，通过分析扭曲二维材料中单个原子的形状和大小变化，成功捕获了这些此前只存在于理论计算中的神秘振动。张逸超表示："在此之前，相子只是通过理论进行预测，从未有人直接观测到它们，甚至没有人认为这是可能的。我们的工作开辟了一种全新的理解二维量子材料晶格振动的方式。"

这一发现的重要性远超学术意义。莫尔相子可能在热量传输、电荷传导以及量子材料中的相变行为中发挥关键作用，为未来低功耗电子器件、量子计算和纳米传感器的发展提供了新的理论基础和技术路径。

突破性成像技术揭示原子振动奥秘

原子成像：左图显示二维材料中的原子。右图是单个原子的照片。（图片来源：伊利诺伊大学香槟分校格兰杰工程学院）

电子叠层衍射成像技术的应用是这项研究成功的关键。这种强大的显微镜技术能够达到15皮米的空间分辨率，使研究人员能够观察到热驱动原子振动的细微变化。在这种前所未有的精度下，科学家们可以绘制出原子在莫尔超晶格不同区域的振动模式。

研究结果显示了令人震惊的现象：原子振动并不均匀分布。在AA堆叠区域，原子表现出更大的振幅，而在孤子边界则呈现高度各向异性的行为特征。这些观察结果与莫尔相子的理论预测完全吻合，为这一长期存在的理论概念提供了第一个直接的实验证据。

张逸超教授多年来一直利用电子显微镜研究声子，但由于成像分辨率的限制，此前的研究主要局限于纳米尺度。她意识到电子叠层显微术能够以更高精度解析原子振动后，决定将这一技术应用于探测皮米尺度上的莫尔相子变化。

扭曲二维材料的选择也并非偶然。当两片二维材料叠放并略微扭转时，它们的原子会形成莫尔条纹或超晶格结构。这种超晶格包含由旋转排列区域组成的准周期区域，被称为孤子，由堆垛层错网络分隔。这类材料能够支持许多奇异的电子现象，包括超导性和关联绝缘态，但其晶格动力学的作用机制仍然是一个谜团。

量子材料研究的新维度

良好的振动：实验测量了单个原子的热振动。（图片来源：Yichao Zhang等）

莫尔相子的发现为理解二维量子材料的物理性质提供了全新视角。除了传统的莫尔声子——源于材料晶格振动的模式之外，科学家们现在证实了第二类振动模式的存在。这些相子具有极低的能量特征，且在空间上分布不均匀，使得大多数实验技术难以探测。

研究团队通过将电子叠层衍射技术推向极限，并结合严谨的建模和模拟验证，成功克服了这一技术挑战。他们的观测结果表明，相子的振动模式会随着层间扭转角的变化而改变，并可能显著影响材料的物理性质。

这一发现的意义不仅限于基础科学研究。张逸超指出："相子可以影响热量的流动方式、电子的运动方式，甚至物质新相的出现方式。如果我们能够利用这些振动，就能设计出具有可编程热学和电子学特性的材料。"

技术应用的广阔前景

莫尔相子的直接观测为材料科学和量子技术的发展开辟了新的可能性。在热管理方面，理解和控制这些振动模式可能导致更高效的热传导或热绝缘材料的开发。在电子学领域，相子与电子的相互作用可能为下一代低功耗电子器件提供设计原理。

在量子计算领域，相子的发现具有特殊意义。量子材料中的集体激发模式——包括电子、激子和各种声子——之间的相互作用是量子态操控的基础。莫尔相子的加入为这一复杂的相互作用网络增加了新的维度，可能为量子比特的设计和操控提供新的工具。

研究团队目前正在扩展他们的研究范围，使用电子叠层衍射技术研究缺陷、应变和界面如何影响相子的行为。这些因素在现实世界的材料和器件中普遍存在，往往导致性能显著下降。通过深入理解这些影响机制，科学家们有望开发出更稳定、更高效的量子器件。

张逸超教授透露了团队的下一步计划："最终，我们希望捕捉相子如何响应外部刺激，例如它们如何随着温度或施加场的变化而演化。这可以让我们更深入地了解它们如何与量子材料中的电子、激子或其他集体激发相互作用。"

电子叠层衍射技术本身也为探索各种先进材料中的晶格动力学提供了强大的新工具。这种技术的应用范围远超莫尔材料，可能在研究其他复杂材料系统的振动特性方面发挥重要作用。

莫尔相子的发现标志着对二维量子材料理解的重大突破。从理论预测到实验验证，这一过程展示了现代科学研究中理论与实验相互促进的重要性。更重要的是，这项研究为未来材料设计提供了新的思路：通过精确控制原子振动模式，科学家们可能实现对材料宏观性质的精准调控，为量子技术的实用化奠定基础。

来源：人工智能学家