具有光、電、磁、熱等宏觀特性的功能材料在能源收集與轉(zhuǎn)換、傳感、計算和數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色。探索功能材料的功能性起源以期進(jìn)一步提高材料與器件的性能、設(shè)計新材料引起了研究人員的廣泛關(guān)注。功能材料的物性依賴于局域?qū)ΨQ性與場，其中對稱性可以由晶格、電荷、軌道與自旋四個基本自由度來描述。外場作用下的局域?qū)ΨQ性破缺總是伴隨著原子最近鄰、次近鄰晶格扭曲和電子結(jié)構(gòu)變化，不僅導(dǎo)致功能材料特性的變化，同時由于晶格與電荷、軌道以及自旋之間復(fù)雜的相互作用，衍生出新的物理效應(yīng)和新奇物性（如界面超導(dǎo)、磁電耦合、手性磁性）。因此，**測量局域?qū)ΨQ性破缺下的原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)是理解材料物性起因和實現(xiàn)功能性調(diào)控的關(guān)鍵。高空間分辨透射電子顯微學(xué)的發(fā)展使得原子尺度上表征點陣結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)成為可能，為建立功能材料局域結(jié)構(gòu)與功能性之間的聯(lián)系提供了重要契機。 

近日，中國科學(xué)院物理研究所谷林研究員在Nano Select (DOI: 10.1002/nano.202000020)上發(fā)表題為“Origin of functionality for functional materials at atomic scale” 的綜述性文章，總結(jié)了**透射電子顯微學(xué)方法在探索功能材料功能性起源方面的研究進(jìn)展。文章**根據(jù)局域?qū)ΨQ性和外場響應(yīng)特征，將功能材料的功能性大致分為結(jié)構(gòu)活性、熱活性、光活性、電活性以及磁活性五種基本類型，并系統(tǒng)論述了基本功能特性與晶格、電荷、軌道與自旋之間的內(nèi)在聯(lián)系。隨后，通過選取**案例評述了高空間分辨測量局域?qū)ΨQ性破缺下的基本自由度在詮釋功能性起源方面的關(guān)鍵作用。最后，文章展望了該領(lǐng)域未來的研究方向和所面臨的挑戰(zhàn)，并強調(diào)了機器學(xué)習(xí)在透射電鏡數(shù)據(jù)處理、挖掘深層次結(jié)構(gòu)與物性關(guān)聯(lián)方面的潛在前景。作者希望，文章的觀點和論述不僅能夠為理解功能材料的性能起源提供一種新思考角度，同時也為功能性調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。