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La0.7Sr0.3MnO3（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/
