角动量分辨电子能量损失谱技术的实现及其在六方氮化硼原子尺度轨道分析中的应用

《Nature Communications》：Demonstration of angular-momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy

本期推荐一项突破性电子显微技术：为解决传统EELS无法直接测量轨道角动量（OAM）的难题，研究团队开发了OAM分选器与能量损失谱联用技术，成功在六方氮化硼（h-BN）中分离π（Δm=0）和σ（Δm=±1）反键轨道跃迁。该工作为磁性圆二色性（EMCD）测量提供了原子分辨率新方案，标志着电子光学正式进入角动量分辨时代。

　　

在材料科学的微观世界里，透射电子显微镜（TEM）如同科学家的“超级眼睛”，能够观察原子尺度的物质结构。而电子能量损失谱（EELS）技术更是这双眼睛的“光谱分析仪”，通过测量电子穿过样品时损失的能量，可以解析材料的化学成分、电子态甚至化学键信息。然而，传统EELS技术存在一个根本性局限：它虽然能探测电子在能量维度的变化，却无法直接测量电子携带的轨道角动量（OAM）——这个描述电子波函数相位旋转的重要物理量。

轨道角动量是表征原子跃迁过程中旋转对称性的关键参数。在光学吸收谱中，光子的圆偏振状态对应着特定的角动量转移选择定则。基于电子-光子类比原理，快速电子散射产生的虚拟光子吸收过程与真实光子吸收存在等效性，这意味着电子的动量变化可以替代光子偏振的角色。因此，理论上通过测量散射电子的角动量分布，就能直接获取原子跃迁的对称性信息。然而，由于技术瓶颈，这一设想长期未能实现。

为解决这一挑战，国际联合研究团队在《Nature Communications》上报道了角动量分辨电子能量损失谱（OAM-EELS）技术的实验突破。他们创新性地将电子光学OAM分选器与EELS谱仪结合，在300千伏透射电镜中实现了能量和角动量的双重色散测量。研究以六方氮化硼（h-BN）为模型体系，成功在硼K吸收边（B K-edge）分离了π和σ反键轨道跃迁信号，为原子尺度轨道分析开辟了新途径。

关键技术方法包括：①采用静电相位元件构建OAM分选器，实现对数极坐标变换将角动量转换为线性色散；②在FEI Titan TEM中集成Gatan Quantum谱仪，设置5.4毫弧度收敛半角以减小像差；③基于蒙特卡洛方法的单原子散射模型，通过多配置采样解析离域散射效应；④利用非负矩阵分解（NMF）和最小二乘拟合进行点扩散函数去卷积处理。

实验装置与原理验证

研究团队设计的OAM-EELS系统核心是两个静电相位元件（S1和S2），分别位于样品后方和选区光阑平面。S1元件对散射电子波前施加螺旋相位，S2元件进行相位补偿，共同完成对数极坐标变换。如图1a所示，电子束先经过h-BN样品产生非弹性散射，随后进入分选器进行角动量分离，最终在探测器上同时记录能量损失（横轴）和角动量（纵轴）信息。这种双色散设计使得每个像素点同时包含能量和角动量信息。

硼K边的角动量分辨测量

在h-BN的硼K吸收边实验中，研究人员观察到191电子伏特（E1）和198电子伏特（E2）两个特征能量损失峰。图2b显示原始OAM-EELS二维谱图中，E1位置主要对应m=0（π轨道）跃迁，其角动量分布呈现尖锐峰型；而E2位置包含m=±1（σ轨道）贡献，角动量谱明显展宽。通过零损失峰（ZL）作为点扩散函数进行去卷积处理（图2d），成功提取出离散化的角动量分量I(E1,?)和I(E2,?)，证实了技术分离不同对称性轨道的可行性。

散射离域效应的数值模拟

为解释实验观测到的角动量谱展宽现象，团队建立了单次非弹性散射模型。该模型考虑探针尺寸、散射离域和探针位置不确定性等因素，通过蒙特卡洛方法模拟样品内所有受激原子对角动量谱的贡献。图3a演示了光学轴上原子产生纯净?=+1信号，而离轴原子导致谱线展宽的物理机制。模拟结果（图3b）显示，考虑8纳米样品厚度和5.4毫弧度收敛角后，Γ_m(?)谱形与实验数据高度吻合，证实离域效应是角动量分辨展宽的主要来源。

基于模型的定量解析

通过拟合方程I(E,?)=∑_mc_m(E)Γ_m(?)，研究人员从实验数据中提取出m=0和m=±1对应的能谱c_m(E)。图4a展示重建后的OAM-EELS谱与图1c模拟结果高度一致。图4b显示实验测得的π（m=0）和σ（|m|=1）轨道谱线与基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算结果（图4c）在特征强度和线形上均表现出良好匹配，仅存在约11%的串扰误差，验证了方法的定量可靠性。

研究讨论部分指出，角动量测量的不确定性主要源于非弹性散射的固有离域特性。根据罗伯逊不确定关系σ_?σ_x≥??y?/2，离光学轴?y?距离的原子会产生角动量展宽σ_?≥0.7?。晶体通道效应使出口波函数局域化（σ_x～0.05纳米），进一步增加角动量的不确定性至σ_?≥2.55?，与实验测量的2.7?高度吻合。

该技术的成功演示标志着电子显微学进入角动量分辨新时代。相较于需要侧视样品才能区分面外轨道贡献的传统轨道映射技术，OAM-EELS可直接在基平面内解析轨道对称性。更重要的是，通过测量?m=+1?与-1?跃迁的不对称性，该方法为高效测量电子磁圆二色性（EMCD）提供了新路径，有望在磁性材料自旋分布表征中发挥重要作用。虽然当前技术受限于分选器加工精度和像差影响，但通过优化元件设计、增大收敛角和使用内置光阑等措施，未来有望实现原子分辨率的扫描OAM-EELS成像，为量子材料轨道物理研究提供强大工具。