近日，中国科学院大学物理科学学院周武教授课题组联合巴塞罗那材料科学研究所、西班牙纳米科学与纳米技术研究所等单位研究人员，发展并应用原子分辨的动量选择振动电子能量损失谱技术，首次在原子尺度实验观测到LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO）氧化物超导界面的局域极性声子，揭示了反演对称性破缺、局域电子-声子耦合和界面超导之间的内在关联，为理解氧化物界面超导电子配对机制提供了新的实验依据。相关成果以“Electron-phonon coupling and symmetry breaking in superconducting oxide interfaces near ferroelectric quantum criticality”为题，于2026年6月30日在线发表于《Nature Materials》。
超导电性是凝聚态物理中最重要的宏观量子现象之一，其微观起源始终是国际学术界关注的核心科学问题。对于传统超导体，电子通常通过晶格振动（声子）介导形成配对，从而产生零电阻超导态。然而，在载流子浓度极低的氧化物超导体系中，电子是否仍然通过声子形成配对，以及究竟哪些声子参与其中，长期以来始终缺乏直接实验验证。
LaAlO3和SrTiO3本身均为绝缘体，但两者结合后却能在界面形成厚度仅数纳米的二维电子气，并进一步出现超导电性。这一独特体系同时具有二维量子限域、反演对称性破缺以及接近铁电量子临界点等特征，被认为是研究界面超导和电子-声子耦合的重要模型体系。然而，由于超导电子局域于界面附近几个纳米范围内，传统实验方法难以同时获得原子尺度空间分辨率和毫电子伏能量分辨率，因此一直无法直接揭示界面局域晶格振动与超导之间的关系。
针对这一难题，研究团队发展并应用了具有原子空间分辨率和毫电子伏能量分辨率的动量选择振动电子能量损失谱技术（momentum-selective vibrational EELS），能够在原子尺度直接测量超导界面附近不同动量转移方向的晶格振动信息，并结合原子分辨电子显微成像和电子能量损失谱，同时获得界面原子结构、局域电子态和晶格动力学信息，为研究复杂氧化物界面的电子-晶格耦合提供了全新的实验手段。
研究人员通过调控LAO薄膜的La/Al化学计量比，构建了一系列具有不同载流子浓度的LAO/STO界面，并实现了从非超导到最佳超导掺杂的连续调控。实验发现，随着载流子浓度增加，二维电子气逐渐向STO内部扩展，界面附近的晶格极化不断增强，最终形成明显的反演对称性破缺。这些结构变化与超导相图密切对应，表明局域晶格重构伴随着超导态的形成。
更重要的是，研究团队首次直接观测到局域于界面附近约1.5纳米范围内的高频极性声子。这些声子并不存在于LAO或STO体材料中，而是由界面电子重构诱导形成，并主要来源于界面附近氧原子的局域振动。实验进一步发现，随着载流子浓度增加，不同方向的局域极性声子表现出截然不同的能量演化规律，体现出明显的方向依赖电子-声子耦合。第一性原理计算进一步证明，这些局域极性声子能够与二维电子气中的电子发生强耦合，其耦合强度与界面超导相图密切相关。
图1 原子分辨的动量选择振动EELS谱揭示LAO/STO界面声子模式演化以及局域极性声子的强电声子耦合
该研究首次在原子尺度建立了界面极性晶格畸变、反演对称性破缺、局域极性声子、电子-声子耦合以及二维界面超导之间的直接联系，为理解量子顺电体系中超导电子配对机制提供了新的实验依据。同时，该工作展示了原子分辨的动量选择振动电子能量损失谱在研究局域晶格动力学的独特优势。未来，该方法有望广泛应用于氧化物异质结、界面超导、极性金属及其他低维量子材料研究，为探索和设计新型界面超导体系及其他新奇量子态提供重要实验手段。
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。西班牙纳米科学与纳米技术研究所Miguel Pruneda研究员负责理论计算工作。中国科学院大学物理科学学院已毕业博士生许名权（现为湖南大学副教授）、李傲雯（现为日本东京大学博士后）共同参与开发了本研究中的动量选择振动谱实验技术及数据处理程序，博士生李昂参与完成了振动谱实验及数据分析。中国科学院大学物理科学学院周武教授、特别研究助理Roger Guzman博士、巴塞罗那材料科学研究所Gervasi Herranz研究员、西班牙纳米科学与纳米技术研究所Miguel Pruneda研究员为论文共同通讯作者。
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://doi.org/10.1038/s41563-026-02647-x
周武教授课题组链接：https://zhouwu.ucas.ac.cn/
