"看见"同位素 | 前沿快讯No.13

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编者按

中国物理学会官方微信公众号本着“传播科学精神，服务科研工作者”的宗旨，特开设“前沿快讯”栏目，选录近期发表的前沿文章，对文中摘要和引言进行中文导读。由于译者水平有限，难免出现不准确之处，请通过留言批评指正。留言经编辑确认后，将及时进行勘误说明，供后来浏览者参考。

利用原子尺度振动光谱对同位素扩散成像

同位素分析技术如质谱、核磁共振、红外光谱和拉曼光谱被广泛应用各个方面，比如生物和化学反应追踪、环境监测和矿物定年分析等等。即使是比较灵敏的拉曼光谱和二次离子质谱方法，这些技术的空间分辨率仅限于几百纳米。因此，当代的同位素分析技术主要是基于宏观现象，而进一步的微观应用将在对应领域实现突破，比如原子跟踪同位素分子标记的生化反应，原位观察材料生长，使用同位素观测气体扩散过程，和微小样品如纳米化石、人工制品和空间矿物的无损同位素分等。为了实现纳米级同位素工程，必须开发一种具有亚纳米空间分辨率的同位素检测技术。

本文作者日本国家先进工业科学与技术研究所Ryosuke Senga等人展示了在嵌入在C13石墨烯中的C12碳原子的清晰同位素成像，并通过原子级振动光谱监测它们的自我融合过程。作者首先在C13石墨烯原有裂纹中生长C12碳原子畴，随后在600摄氏度下退火几个小时。利用扫描透射电子显微镜-电子能量损失光谱，我们得到确认C12原子快速分离的同位素谱图，表明在2小时后，石墨烯层中的同位素在100纳米区域内变得均匀，展现了碳原子在生长和通过自融合退火过程中的高迁移速度。这种成像技术可以为纳米同位素工程和监测提供一种基本的方法，有助于在纳米尺度上创建同位素标记和追踪。

相关研究成果以Imaging of isotope diffusion using atomic-scale vibrational spectroscopy为题，发表在《自然》 Nature 603, 68–72 (2022)上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04405-w#citeas

元素钆(Gd)中的狄拉克磁振子、节点线和节点面

狄拉克方程描述的具有线性能带交叉准粒子的拓扑材料在凝聚态物理中起着重要的作用。石墨烯的电子结构使其成为费米子体系狄拉克材料的典型例子。随后人们认识到，相关的拓扑特性也可以发生在具有玻色子准粒子的系统中，包括声子、光子和最近的磁振子。磁振子能带有趣的拓扑特征通常与能带简并度有关，与自旋空间群所描述的对称性直接对应。磁振子能带结构可以实现类似与能带的各种拓扑结构，比如陈绝缘体和拓扑半金属，并可以同时承载狄拉克点或外尔点，也可以表现出扩展的一维简并节点线和三重简并点等等。因此，磁性系统也可以表现出类似于在电子拓扑材料中发现的现象，比如由具有拓扑非平庸陈数的能隙产生的磁振子热力学霍尔效应。

本文作者美国橡树岭实验室A. Scheie通过实验和理论展示了一个具有磁振子节点面的系统，进一步扩展了拓扑磁体和拓扑电子系统之间的有效类比。利用非弹性中子散射研究了元素钆(Gd)的磁激发，表明Gd是一种狄拉克磁振子材料，同时具有节点线和节点面。作者发现了围绕K点磁振子狄拉克锥的各向异性强度缠绕，可以用贝里相位物理学进行解释。利用线性自旋波理论计算，证明了节点线具有非平凡的贝里相位和拓扑表面模式。作者还进一步讨论了关于螺旋对称轴的节点平面的起源，引入一个拓扑不变量来描述其存在以及对散射强度的影响。这些结果表明了常见的的六边形紧密堆积的铁磁体中存在的高度非平庸的拓扑结构。

相关研究成果以Dirac Magnons, Nodal Lines, and Nodal Plane in Elemental Gadolinium为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 128, 097201 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.097201

碳纳米管内的高能量密度聚合物氮纳米管

聚合氮在高能量密度材料方面的潜在应使其受到越来越多的关注。因为氮气分子中的氮氮三键键能 (954 kJ/mol) 是氮氮单键（160 kJ/mol）和N=N双键（418 kJ/mol）的数倍，当与单键和/或双键键合的聚合氮分解成孤立的氮气分子时，会释放出大量的能量。因此，聚合氮可以用作炸药或推进剂。同时，上述化学反应的最终产物的氮气是惰性和稳定的，对环境的影响很小。由于这些诱人的特性，理论上已经预测了聚合物氮的多个相，包括立方氮 (cg-N)、层状 𝑃 𝑏𝑎2 相、笼状金刚石氮、和金属盐等等。2004年，立方氮首次被报道到在在 110 GPa 以上的高压和2000K的高温下合成。自此，其他几种聚合物结构也已经通过高压方法实验获得，但至今没有得到室温常压下的聚合氮物相。

本文作者南京大学丁驰等基于第一性原理计算，采用外部限制势开发了一种在受限空间中搜索晶体结构的新方案，并利用该方法系统地探索了限制在单壁碳纳米管中的新型聚合物氮结构。实现了几种一维（1D）单键聚合氮结构，其中两个由纳米管组成。根据声子谱和分子动力学模拟，这些新的聚合氮相在常温常压的环境压力和温度下是机械稳定的。其结果表明，限制在碳纳米管（CNT）中的锯齿形链和扶手椅链的稳定性主要归因于从碳到氮的电荷转移。对于新型氮纳米管系统，在中间空间重叠的电子提供了强大的库仑排斥力，不仅诱导电荷从中间转移到两侧，而且稳定了聚合氮物相。其工作为设计新型高能量密度聚合氮材料以及借助多孔系统内的密闭空间（如纳米管、共价有机框架和沸石）提供了一种新策略。