声子在凝聚态体系的热学、电学和纳米光学等性质中起着重要作用。然而，对单个纳米结构或晶体缺陷等的局域声子色散进行实验测量在技术上具有很大困难。非弹性中子散射、X射线散射等手段由于空间分辨率不足只能测量块体材料的声子色散，针尖增强拉曼散射等光学方法则不具有足够的动量探测范围。为了测量局域声子色散，必须同时实现纳米级空间分辨率、足够的动量探测范围和分辨率、meV级能量分辨率、极高的探测灵敏度，这些是传统实验手段无法兼顾的。

图：a 四维电子能量损失谱技术原理示意图；b （由上至下）电子束由氮化硼纳米管中心到边缘扫描时得到的声子色散

北京大学物理学院量子材料科学中心和电子显微镜实验室的高鹏研究组利用扫描透射电子显微镜发展了四维电子能量损失谱技术（4D-EELS），首次实现了单个纳米结构中不同位置的声子色散测量。在衍射平面上利用狭缝光阑收集散射后的电子，可以并行采集具有不同动量转移的声子谱，这大大提高了数据采集效率，使得在空间上进行二维扫描的同时记录不同位置处的色散关系成为可能。四维电子能量损失谱包含两个空间维度、一个动量维度和一个能量维度，可以在纳米分辨率下绘制声子色散分布图，并进一步得到各支声子的局域群速度等信息。这一技术的动量转移范围覆盖多个布里渊区，灵敏度足以探测单个纳米结构的信号，且空间分辨率和动量分辨率可以根据需要调节至最佳平衡。这为纳米尺度声子色散的实验测量提供了可行的方案，预期将在拓扑声子、电声耦合、热电和散热材料中的界面和缺陷热传导等研究中发挥重要作用。

近日，该研究组在《Nature Communications》上发表了题为“Four-dimensional vibrational spectroscopy for nanoscale mapping of phonon dispersion in BN nanotubes”的文章，研究者以多壁氮化硼纳米管为例，在纳米尺度上测量了单根管的声子色散的空间分布。实验结果显示，多壁氮化硼纳米管的声子色散与hBN接近。当电子束位于纳米管中心时，测量得到的声子色散与hBN面内方向的色散基本一致；当电子束位于管壁边缘时，得到的色散则对应hBN面外方向。这些测量结果与密度泛函微扰理论计算得到的散射截面相一致。

4D-EELS同时具有高空间分辨率和动量分辨率，因此还可以测量不同动量转移处声子在缺陷附近的强度分布。对于不同的动量转移，由纳米管缺陷造成的强度变化有明显不同。对于零动量转移的振动信号，偶极散射占主导，测量得到的信号主要来自声子极化激元（声子与光子耦合形成的准粒子）。由于长程库伦作用的空间尺度远大于缺陷尺寸，这一信号对小尺度缺陷较不敏感。对于较大的动量转移，局域的碰撞散射信号占主导，此时声学支声子强度在缺陷附近显著改变，而光学支则对缺陷较不敏感。此外，声子强度图像还可以用于表征传统成像手段难以观测到的部分缺陷。

北京大学物理学院本科毕业生亓瑞时和前沿交叉学科研究院博士研究生李宁为该文章的共同第一作者，物理学院量子材料科学中心和电子显微镜实验室高鹏研究员为文章的通讯作者。其他合作者有国家纳米科学中心杨晓霞研究员和戴庆研究员、河北工业大学黄阳教授、北京大学工学院材料科学与工程系刘磊研究员、松山湖实验室许智研究员、深圳量子科学与工程研究院俞大鹏院士。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子物质科学协同创新中心、广东省重点研发计划等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21452-5