超快電子顯微鏡助力超快結構動力學及近場研究

超快電子顯微鏡（UEM）憑借亞納米-亞皮秒的時空分辨能力，成為非平衡態結構動力學及超快科學的重要研究手段。由于電子探針對結構變化和電場相位高度敏感，UEM在超快激光誘導層狀材料的動態結構演化和近場研究中具有優勢。

飛秒激光激發二維層狀材料的相干縱向呼吸聲學聲子已被廣泛報道，而相干橫向剪切聲學聲子的激發因需要破壞面內軸向對稱性而較難實現。長期以來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員李建奇和楊槐馨團隊利用UEM開展層狀材料超快結構動力學研究。

近期，物理所副研究員孫帥帥與李建奇指導博士研究生高文莉，在1T'-MoTe₂中激發了晶面依賴的聲學呼吸聲子和剪切聲子。研究顯示，剪切聲子隨溫度下降由聲學模式轉變為光學模式，且該轉變受堆疊序變化調控。聲學和光學剪切聲子均涉及沿單斜方向的層間滑移，其差異源于堆疊序相關的層間極化鍵的不同空間排列。這一剪切聲子的激發為通過光誘導層間滑移實現鐵電極化翻轉提供了潛在路徑。相關成果發表在ACS Nano上。

進一步，楊槐馨與河南省科學院博士張永朝、鄭州大學教授程少博合作，在2H-MoTe₂中發現非均勻激光激發下的二階聲子諧波可驅動薄膜發生超快彎曲，揭示了基于超快激光調控內部應變梯度的新機制。相關成果發表在Chinese Physics Letters上。

光誘導近場顯微技術（PINEM）作為UEM的新興表征手段，能夠實現對微納尺度光學近場的高空間分辨成像。在楊槐馨、李建奇與博士鄭丁國的指導下，博士研究生楊冬利用PINEM技術結合有限元仿真，對鐵填充多壁碳納米管（MWCNTs）中等離激元模式的疊加行為進行納米尺度表征，發現管內鐵核與碳殼層之間存在等離激元干涉現象。偏振依賴的近場成像結果證實了不同等離激元模式疊加導致的對稱性破缺，揭示了PINEM成像對模式間軸向相位差的高度敏感性。研究表明，MWCNTs為等離激元提供了局域場增強環境，MWCNTs的包裹結構可有效隔離鐵核并防止其氧化。這為低成本磁-光耦合等離激元器件研發工作提供了新途徑。相關成果發表在Nano Letters上。

研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院相關項目等的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17877

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01587

https://doi.org/10.1088/0256-307X/42/4/047201

（a）UEM示意圖，（b）MoTe₂中堆疊序調控的激光誘導剪切聲子模式轉換，（c）鐵填充MWCNTs表面等離激元近場分布