离子调控是产生新物态和新物性的一种重要手段。离子输运伴随的结构相变微观机制是决定材料性质和器件功能的关键。在原子尺度下对离子传输动态行为进行原位实时观测，揭示材料新性质的原子机制，对材料设计和器件应用具有重要意义。
张余洋课题组与中国科学院物理研究所白雪冬研究员课题组合作，利用电子束进行动态观察表征,同时作为诱导氧离子迁移的手段，捕获了反应中的氧原子和它的实时扩散路径，原位实时观察到氧化铈中氧原子扩散的优先路径，通过实验观测和分子动力学模拟，发现了萤石结构氧化铈中氧原子以<001>方向作为优先传输通道。结合第一性原理计算，揭示了其物理原因在于氧原子扩散过程中伴随的电子重新分布使局域库仑作用力发生改变，导致晶格扰动，氧原子扩散路径选择扰动能量最低的方向。这种氧原子扩散过程中伴随的配位价态的变化也得到了原位电子能量损失谱分析结果的佐证。本研究揭示的萤石结构二氧化铈中氧原子各项异性传输机制对于其各向异性相关的性质和功能调控具有指导作用。
张余洋为文章共同通讯作者，设计了本工作的理论计算部分，协助中科院物理所杜世萱研究员指导的博士研究生金鑫同学为本文共同第一作者。上述工作得到中科院、科技部、国家自然科学基金委的资助。
文章链接：Phys. Rev. Lett. 124(5), 056002 (2020)
