物理科学学院 物理学院

       近日，中国科学院大学物理科学学院周武教授课题组联合西班牙巴塞罗那材料科学研究所、美国华盛顿大学和瑞典乌普萨拉大学的研究人员，发展出一种基于扫描透射电子显微镜（STEM）的原子分辨电子线性二色谱（ELD）技术，实现了对单个原子柱轨道极化的直接探测。该技术首次将线性二色谱测量的空间分辨率推进至原子尺度。相关成果以“Detecting Linear Dichroism with Atomic Resolution”（原子分辨的线性二色谱探测）为题，于2026年5月12日在线发表于《Nature Materials》。

       在量子材料中，电子轨道的占据方式往往决定材料的磁性、输运、超导等重要物性。特别是在强关联体系中，电子对特定方向轨道的择优占据会形成“轨道极化”或“轨道有序”，并进一步诱导电荷密度波、磁有序以及非常规超导等对称性破缺量子态。因此，如何在微观尺度直接探测轨道占据状态，一直是凝聚态物理和材料科学的重要研究方向。

       长期以来，X射线线性二色谱（XLD）是研究轨道极化最重要的方法之一。其原理是通过比较材料对不同方向偏振X射线的吸收差异，获得电子轨道空间分布的信息。然而，传统XLD的空间分辨率通常仅能达到微米量级，难以研究界面、缺陷、局域应变等原子尺度结构不均一性带来的轨道变化。如何将线性二色谱推进到真正的原子分辨率，被认为是电子谱学领域长期存在的重要挑战。

       针对这一问题，该研究团队提出了一种新的原子分辨ELD测量方法。研究人员利用原子尺度电子束在扫描透射电子显微镜中的精确定位能力，在原子分辨电子能量损失谱（EELS）成像中引入方向选择性的动量转移分析与信号提取策略。其核心原理基于电偶极近似下的非弹性散射理论：当电子束沿特定晶轴方向入射时，不同方向的动量转移会分别与材料中不同空间方向延展的电子轨道产生选择性耦合，从而实现对轨道各向异性的探测。

       通过对单个原子柱周围不同方向的谱学信号进行提取与比较，研究团队成功分离出与不同轨道方向相关的线性二色谱信号，将轨道极化探测的空间尺度从传统微米量级推进到原子尺度。该方法无需额外硬件改造，兼容现有主流像差校正扫描透射电子显微镜平台，仅需沿样品晶带轴方向采集高采样率的原子分辨EELS谱学成像数据即可实现，为该技术的广泛应用提供了重要基础。

       为验证该方法的可靠性，研究团队选取典型钙钛矿锰氧化物La_0.7Sr_0.3MnO₃（LSMO）薄膜作为模型体系。该体系的轨道极化对晶格应变高度敏感，并已有大量宏观XLD结果作为参照对比。实验结果表明，在压应变条件下，Mn原子的3z²-r²轨道占据占主导；而在张应变条件下，x²-y²轨道占据则显著增强。这一结果与已有的XLD宏观测量高度一致，但首次实现了原子尺度的轨道极化探测，并达到了单原子柱灵敏度。作为对照，研究团队进一步对无应变、结构对称的SrTiO₃进行了测量，未检测到任何ELD信号，从而验证了该方法对轨道对称性破缺的特异敏感性。

       研究人员指出，该方法未来有望广泛应用于界面超导、氧化物异质结、低维量子材料以及缺陷态电子结构等前沿研究领域，为研究原子尺度电子各向异性与新奇量子态提供全新的谱学工具。

图1、原子分辨电子线性二色谱（ELD）探测轨道极化的原理及其

在不同应变钙钛矿锰氧化物薄膜中的实验验证。

     中国科学院大学物理科学学院特别研究助理Roger Guzman博士（现为巴塞罗那材料科学研究所长聘科学家）为论文第一作者。瑞典乌普萨拉大学Ján Rusz教授为该研究提供了关键理论支持，建立了ELD信号方向依赖性分析和信号提取的定量理论框架。中国科学院大学物理科学学院周武教授、巴塞罗那材料科学研究所Jaume Gazquez教授和华盛顿大学Juan Carlos Idrobo教授为论文共同通讯作者。中国科学院大学物理科学学院博士研究生李昂参与了数据分析工作。

     该研究得到北京高校卓越青年科学家计划、国家自然科学基金、中国科学院基础研究领域青年团队项目以及中国科学院大学电子显微学中心的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02606-6

周武教授课题组链接：https://zhouwu.ucas.ac.cn/

       2026年5月10日15时，物理科学学院学生会学习部邀请2023届毕业生赛华阳博士，在雁栖湖校区教一109教室举办科研成长专题分享会。赛华阳博士是中国科学院大学2023届优秀毕业生，机械制造及其自动化专业，现就职于北京大学。他深耕科研一线，拥有从文献调研、实验开展到论文投稿的全流程实战经验，对科研习惯养成、职业规划及科研心态建设有着深刻的个人感悟与方法论总结。

       赛华阳博士结合自身科研经历，围绕科研规划、文献阅读、实验规范、论文投稿与心态管理及AI工具使用五个方面进行了分享，并提出了15条科研与人生建议。

       在科研规划方面，赛华阳博士建议研一阶段尽早明确职业方向，了解学术深造、企业就业或公考选调等不同路径的能力要求，结合自身兴趣与导师研究方向做好阶段性规划。

       谈及文献阅读，他建议新方向可先研读中文学位论文和专业书籍，再逐步阅读英文SCI论文，关注高水平成果并利用谷歌学术等工具追踪前沿；同时做好文献总结与管理，借助专业软件搭建体系，培养批判性阅读思维。

       针对实验规范，他提出要兼顾时间规划与软件操作，实验前明确研究目的与预期数据，过程中全面记录日期、流程、数据及问题，保障实验可追溯、可复现；可借鉴顶级期刊的数据处理与展示方式，主动向导师和同门请教。

       论文写作与投稿环节，赛华阳博士建议阅读文献时积累高水平论文的写作技巧与句式；下笔前构思内容、设计图表；投稿前合理评估成果水平与期刊要求；面对拒稿需保持良好心态，认真吸收审稿意见。

       赛华阳博士还从科研态度、方法与心态等维度提出了建议，涵盖保持研究专注、主动交流、坚持长期主义、培养独立科研能力、拒绝盲目攀比、提升综合能力、重视实干与展示机会、保持自信谦逊、守护身心健康、严守学术红线等内容。

       互动环节中，同学们就科研方向选择、时间管理、职业发展等问题与赛华阳博士进行了交流。

       本次分享会为研一同学提供了科研习惯养成的具体方法，有助于同学们明确科研方向、提升科研效率。

        为提升物理科学学院对外影响力，促进学院老师的学术交流，拓展学院师生的视野，本学期物理科学学院继续举行系列学术交流活动。2026年5月9日下午，学院邀请中国科学院物理研究所副郭辉副研究员作题为《原子层限域工程构筑与调控新型低维功能材料》的学术报告。此次学术交流论坛由学院张余洋教授主持。

        新型低维功能材料的可控构筑与物性调控是凝聚态物理与材料科学的重要前沿。原子层限域工程通过调节层间耦合与空间自由度，为新型低维功能材料的设计与集成提供了有效途径。郭辉老师的报告围绕原子层限域，探讨其在材料构筑与物性调控方面的关键作用。首先，以金属表面外延石墨烯为模型体系，介绍界面插层在实现石墨烯与基底解耦及结构重构中的作用机制。随后，在SiO₂基底上利用石墨烯作为限域与封装层，实现过渡金属硫族化物（TMD）原子层材料的受限外延生长与原位集成。进一步展示TMD材料中的自插层行为及其对结构与物性的调控效应。郭辉老师所报告介绍的原子层限域工程可贯穿插层调控、受限生长与自组织结构演化等过程，为低维功能材料的构筑、物性调控与器件集成提供新的技术路径和研究视角。

        在报告结尾，同学们与老师积极讨论，大家就低维材料的可控生长、界面工程设计及原子层限域调控策略进行了以及物性的测量和调控进行了深入探讨。大家对原子层限域工程在过渡金属硫化物（TMD）原子层材料高质量生长及器件集成中的潜在应用表现出浓厚兴趣，期待这一技术在低维功能材料设计与电子器件开发中能够带来突破性的进展。本次学术交流不仅拓展了物理科学学院在凝聚态物理与材料界面工程方向的学术视野，也为推动相关交叉科研合作奠定了良好基础。

报告人简介：郭辉，2019年于中国科学院物理研究所获博士学位，2019-2021年于中国科学院物理研究所从事博士后研究工作，2021年加入中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室，任副研究员工作至今。研究兴趣包括基于分子束外延技术的拓扑、超导、磁性等低维关联电子材料的原子级精准制备，人工异质结构的精准构筑，及其在低维极限下的新奇物理现象，并发展了迭代生长、原子层限域等生长技术。近年来在Nat. Mater., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., ACS Nano等国际学术期刊发表论文50余篇，申请国家发明专利3项。作为科研骨干主持/参与科技部国家重点研发计划、中国科学院稳定支持青年团队计划、国家自然科学基金面上项目等。