【摘要】 虽然低温透射电镜在这一领域的使用有着悠久的历史，包括近30年前超导涡旋对的第一次时间分辨成像，该方法在很大程度上没有得到充分利用。

原位低温透射电子显微镜(cryo-TEM)作为量子材料生长领域的表征方法[1]。在这里，量子材料被广泛定义为包括一系列在低温下表现出紧急行为的材料，例如超导体、具有非平凡电子能带拓扑结构的物质相、电荷有序材料、(多)铁相和新型磁铁（图1）。总的来说，这些材料具有重要的理论价值，潜在的应用范围从量子信息科学到先进的能源技术。该领域发展的核心和最终发展有用的量子器件是在适当条件下准确表征样品的能力，即在低温下。

 

虽然低温透射电镜在这一领域的使用有着悠久的历史，包括近30年前超导涡旋对的第一次时间分辨成像，该方法在很大程度上没有得到充分利用。事实上，大多数量子材料的低温研究都是用扫描探针方法或中子或x射线散射进行的。相反，大多数低温透射电镜实验和开发都集中在样品保存上，其中冷冻剂用于冻结样品的室温结构并限制TEM束的损伤:例如，在结构生物学或能源材料研究中低温透射电镜对涌现(量子)材料在低温下的行为的研究要少见得多。然而，最近有迹象表明，研究人员对这种方法重新产生了极大地兴趣，预计这种趋势只会加速发展。

 

图1. 晶体拓扑绝缘体SnTe纳米线的原位低温透射电镜实验显示[1]

 

实空间结构成像还可以直接确定相变路径，这是通过衍射技术无法轻易确定的。成核位点及其密度是什么?成核结构域是如何生长和合并的?原位透射电镜方法已被证明是在室温及以上温度下回答这些问题的关键，例如，探测金纳米颗粒中有序-无序转变的原子尺度动力学对低温下相变的研究要少见得多，但对理解相变途径同样有力。

 

最近，利用低温-洛伦兹透射电镜研究了二维范德华磁体Cr2Ge2Te6。通过改变温度和外加磁场来调制磁基态，作者直接观察到从条纹域到斯基子气泡的转变，以及布洛赫线的湮灭和产生重要的是，这些拓扑磁性结构及其动力学只能通过直接成像来完全理解。在另一个单独的例子中，研究了拓扑晶体绝缘体SnTe在25 k下的纳米线中的铁电畴结构(图2)。观察铁电转变对于理解这些纳米线中测量的非常规超导性至关重要然而，需要进一步的低温透射电镜分析来确定精确的畴极化和畴壁结构，因为这些细节预计会影响拓扑表面状态。

 

图2. SnTe有8种可能的畴变体，由沿的极化矢量表示[1]

 

[1] HART J L, CHA J J. Seeing Quantum Materials with Cryogenic Transmission Electron Microscopy [J]. Nano Letters, 2021, 21(13): 5449-52.

 

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