作為晶格振動的準粒子，聲子直接影響凝聚态體系的熱導率、電子遷移率等物性，并在傳統超導、結構相變、光散射等物理機制中起着重要作用。上世紀50年代，諾貝爾物理學獎獲得者麥克斯·玻恩（Max Born）與我國半導體物理奠基人黃昆先生合著的《晶格動力學理論》（Dynamical Theory of Crystal Lattices）奠定了聲子學的理論基礎；而單晶塊材的聲子結構也能夠被光子、電子、中子等多種非彈性散射實驗所測量。

在晶體的界面處，由于平移對稱性的破缺，界面聲子的局域行為與體态明顯不同，這也正是表面、界面、低維納米材料呈現諸多獨特物性的根源之一。上世紀就被預言存在的界面聲子模式僅存在于界面附近的幾層原子内，迄今未曾被實驗直接觀測到，更無從測量其空間分布、色散關系等。

界面聲子的能量同時依賴于空間與動量。為了探測界面聲子色散，實驗測量手段須達到納米甚至原子級别的空間分辨率以及足夠分辨第一布裡淵區的動量分辨能力（納米-1，即(10-9米) -1量級），同時對探測靈敏度和能量分辨率也提出很高的要求。然而，現有譜學手段均無法兼顧這些要求。2021年2月，beat365官方网站量子材料科學中心高鵬課題組基于掃描透射電子顯微鏡發展了四維電子能量損失譜學（圖1）（Nature Communications, 12, 1179 (2021)，發明專利：ZL202011448013.7），能夠根據實際問題的需要在空間分辨率和動量分辨率之間取得最佳平衡，使得在納米尺度測量界面聲子色散成為可能。盡管測不準原理限制了空間分辨率和動量分辨率同時達到最優，這一技術卻已非常接近最優的理論極限。

圖1 （a）四維電子能量損失譜學實驗原理示意圖；（b）實驗測量與第一性原理計算得到的金剛石态密度；（c）實驗測量與第一性原理計算得到的金剛石聲子色散關系；（d）不同電壓下空間分辨率與會聚角之間的關系（目前優化的空間分辨率和動量分辨率距離衍射極限理論上限僅差約15%）；（e）不同電壓下的、動量分辨率與會聚角之間的關系（内插圖為金剛石的倒空間）

近日，高鵬課題組利用四維電子能量損失譜學技術，首次在晶體異質結界面處觀測到界面聲子的存在，并測量了其空間分布、局域态密度和色散關系。在大會聚角下，實驗空間分辨率可達原子級，從而實現聲子局域态密度的原子級測量，直接觀測到局域在界面附近的增強和減弱的聲子模式；在中等會聚角下，可同時達到1.5 nm以内的空間分辨率和金剛石1/4第一布裡淵區邊長的動量分辨率，從而首次實現了這些局域聲子模式的色散關系測量。他們以立方氮化硼-金剛石界面為例，系統地展示了實驗測量結果。根據理論計算，測得的金剛石氮化硼界面聲子模式不僅對界面熱導有顯著貢獻，也通過電聲相互作用直接影響界面二維電子氣的遷移率。這一成果有望未來在界面熱傳導、界面超導機理和拓撲聲子學等領域中發揮重要作用。

圖2 （a）實驗測得的譜線随空間位置的變化，近似正比于聲子局域态密度；（b）界面模式的色散關系；（c）界面增強的聲子模式（上、中）和界面減弱的模式（下）示意圖

2021年11月17日，相關研究成果以“測量界面聲子色散”（Measuring phonon dispersion at an interface）為題，在線發表于《自然》（Nature）；beat365官方网站量子材料科學中心、電子顯微鏡實驗室研究助理亓瑞時與beat3652018級博士研究生時若晨為共同第一作者，高鵬為通訊作者。其他合作者包括beat365研究生李躍輝、武媚、孫元偉、李甯，beat365電子顯微鏡實驗室杜進隆工程師，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所劉開輝教授、陳基研究員，中國科學院金屬研究所/沈陽材料科學國家研究中心陳春林研究員，加州大學伯克利分校王楓教授，南方科技大學量子科學與工程研究院俞大鵬院士和beat365官方网站量子材料科學中心王恩哥院士。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃，及量子物質科學協同創新中心、beat365電子顯微鏡實驗室、beat365高性能計算平台、北京石墨烯研究院、懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平台等支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03971-9