量子材料是指具备电子强关联体系的材料，量子材料序参量包括点阵、电荷、自旋、轨道和拓扑；电子显微学是测量和研究具有一定能量的电子和物质交互作用后产生的各种信号的学说。把这三点联系起来，就是这本书的书名。如何能从原子尺度测量和了解这些与原子结构中多个自由度相关的特征参量及它们之间的关联性呢？近代物理学原理和仪器设备制造上的发展为我们提供了一些有力的测量手段和分析的知识基础。电子显微学方法是其中很重要的一个工具。对物质中原子位置的正倒空间的成像和衍射谱及叠层衍射成像(ptychography)技术可以实现三个维度上定位单个原子并确定其热振动常数。通过入射电子和物质的交互作用得到的电子能量损失谱及X射线能谱能够提供物质中原子的种类、声子、电荷、自旋及轨道等序参量。差分相位衬度(DPC)技术的引入能呈现原子尺度的点阵和电场/电荷密度分布的关联性等。原位技术帮助人们理解外场(力、电、热、磁)下，物质结构的演变。人工智能的高通量技术可以考核原子尺度获得的序参量及其关联性是否能反映毫厘米尺度的物质的结构。等等。作者团队从2008年开始相关领域的基础理论学习和技术储备的研究，包括：亚埃尺度的表征、EELS谱的深入理解和应用、定量EMCD的研究等等。于2013年开始筹划-2014年申请国家973课题“铁性序参量的亚原子尺度协同测量及耦合机制”(课题编号：2015CB654902)。相继的获得了其它国家项目的支持。在铁电、多铁、磁光、Cu基高温超导、高熵储能和中熵合金材料中做了一些工作，通过多种序参量的测量和关联研究，初步揭示了这些材料的结构和性能之间的联系，有益于相关材料的研发和应用。

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目录
前言
第1章 量子材料序参量 1
1.1 量子材料 1
1.2 量子材料序参量的概念 1
1.2.1 序参量一词来源 1
1.2.2 量子材料序参量内涵 2
1.3 量子材料序参量的测量 4
1.3.1 量子材料序参量表征技术 4
1.3.2 电子显微技术对量子材料序参量表征的特点与优势 7
1.4 研究量子材料序参量的意义 9
参考文献 10
第2章 电子显微镜和电子显微学 12
2.1 透射电子显微学 13
2.1.1 电子的散射与衍射 13
2.1.2 透射电子显微镜的构造 15
2.1.3 透射电子显微镜的成像原理 16
2.2 扫描透射电子显微学 18
2.2.1 扫描透射电子显微镜的电子光路 18
2.2.2 扫描透射电子显微镜的成像原理 20
2.3 像差与像差校正 22
2.4 电子能量损失谱 24
2.4.1 谱仪构造 24
2.4.2 电子能量损失谱简介 25
2.4.3 电子能量损失过滤像 26
2.4.4 电子能量损失谱图 (STEM-EELS 技术) 28
2.5 电子显微镜中的 X 射线能谱 29
2.5.1 谱仪构造 29
2.5.2 X 射线能谱简介 30
2.5.3 原子分辨的元素成像 31
2.6 差分相位衬度成像技术 33
2.6.1 差分相位衬度基本原理 33
2.6.2 积分的差分相位衬度成像技术 34
2.7 四维扫描透射电子显微术 35
2.7.1 4D-STEM 的基本原理 35
2.7.2 纳衍射 4D-STEM 36
2.7.3 原子尺度 4D-STEM 的新成像技术 37
2.7.4 叠层衍射成像技术 37
参考文献 41
第3章 点阵序参量 48
3.1 晶体的对称性和周期性 48
3.1.1 晶体对称性 48
3.1.2 晶体结构的周期性 51
3.1.3 晶体的母源结构与衍生结构 52
3.1.4 晶体对称性和晶体的物理性质 55
3.1.5 铁电性晶体的对称性 56
3.2 倒易点阵 68
3.2.1 衍射空间 71
3.2.2 晶体空间与倒易空间的傅里叶变换关系 72
3.2.3 纳衍射 75
3.2.4 会聚束衍射 83
3.3 正空间点阵图像 90
3.3.1 从量子力学出发的布洛赫波——衍射衬度理论 90
3.3.2 从衍射物理出发的多层法——相位衬度理论 98
3.3.3 像差校正透射电子显微镜和负球差成像 110
3.3.4 像差校正 STEM-HAADF/STEM-ABF/STEM-iDPC 112
3.3.5 叠层衍射成像技术 陈震 117
3.4 正空间点阵图像的信息提取 118
3.4.1 基于正空间点阵图像获取晶格畸变信息 119
3.4.2 基于正空间点阵图像构造单胞结构 122
3.5 点阵序参量研究实例 123
3.5.1 间隙氧原子对点阵序参量的影响 123
3.5.2 熵值对点阵序参量的影响 128
3.5.3 反铁电体系的点阵序参量 131
3.5.4 外电场对铁电材料点阵序参量的影响 136
参考文献 141
第4章 轨道序参量 147
4.1 轨道序参量的定义 147
4.1.1 原子轨道 147
4.1.2 轨道跃迁 149
4.1.3 晶体中的轨道 150
4.2 电子能量损失谱表征轨道序参量 152
4.2.1 点阵序参量与轨道序参量的关联 152
4.2.2 材料各向异性与轨道序参量的测量 159
4.3 5d 电子轨道的电子显微学表征 162
参考文献 164
第5章 电荷序参量 167
5.1 电荷序参量的定义 167
5.2 定量会聚束电子衍射测量电荷密度分布 168
5.3 4D-STEM 与 DPC 技术对电荷序参量的表征 170
5.4 EELS 方法测量核外电子电荷得失转移引起的元素化合价
变化 173
5.5 直接探测轨道之间的电荷转移：铈元素的畴界偏聚诱导出Fe(3d)-Ce(4f) 176
5.6 EELS 方法测量铜氧化物超导体的电荷转移能隙 183
参考文献 193
第6章 自旋序参量 198
6.1 定量 EMCD 技术 198
6.1.1 EMCD 技术的基本原理 198
6.1.2 EMCD 技术与衍射动力学效应 201
6.1.3 定量 EMCD 方法的理论计算框架 204
6.1.4 定量 EMCD 方法的数据处理方法 208
6.1.5 定量磁参数的计算 211
6.1.6 衍射几何不对称性对定量磁参数的影响 212
6.1.7 定量 EMCD 技术一般方法 213
6.2 原子面分辨的定量 EMCD 221
6.2.1 原子面分辨 EMCD 的基本原理 222
6.2.2 原子面分辨 EMCD 信号的测量 223
6.2.3 原子面分辨 EMCD 信号的模拟 225
6.3 面内 EMCD 技术 226
6.3.1 面内 EMCD 技术的基本原理 226
6.3.2 面内 EMCD 技术的信号模拟 227
6.3.3 面内 EMCD 技术的实验测量 229
6.4 磁结构成像的正空间直接观察 232
6.4.1 洛伦兹磁成像技术 232
6.4.2 电子全息磁成像技术 235
6.4.3 洛伦兹扫描透射电子显微术 238
6.4.4 试样在极靴中的磁化状态 240
参考文献 241
第7章 拓扑序参量——拓扑与拓扑材料 244
7.1 拓扑学 244
7.1.1 拓扑空间 244
7.1.2 拓扑性质 244
7.1.3 拓扑学的起源与发展 245
7.1.4 拓扑学的分支 246
7.1.5 拓扑学的应用 247
7.2 霍尔效应 247
7.2.1 霍尔效应的发现 248
7.2.2 反常霍尔效应 249
7.2.3 自旋霍尔效应 249
7.2.4 量子霍尔效应 249
7.3 拓扑材料及能带结构 251
7.3.1 拓扑绝缘体 251
7.3.2 拓扑晶体绝缘体 254
7.3.3 拓扑半金属 254
7.3.4 拓扑超导体 259
7.4 拓扑自旋结构 (topological spin textures) 和磁/极化斯格明子(magnetic/polar skyrmions) 260
7.4.1 引言 260
7.4.2 磁斯格明子 260
7.4.3 铁电极化斯格明子 268
7.5 磁性材料、铁电材料和多铁材料的拓扑性 272
7.5.1 二维材料的拓扑数和拓扑结构 273
7.5.2 六方多铁 YMnO3 中的拓扑畴结构 279
参考文献 284
第8章 量子材料序参量的协同测量与关联性研究 294
8.1 铋掺杂石榴石磁光材料中多重序参量的关联性研究 294
8.1.1 铋掺杂石榴石磁光材料的点阵序参量的测量 295
8.1.2 铋掺杂石榴石磁光材料的电荷和轨道序参量的测量 297
8.1.3 铋掺杂石榴石磁光材料的自旋序参量的测量 299
8.1.4 铋掺杂石榴石磁光材料的理论计算 301
8.1.5 小结 303
参考文献 304
8.2 高温超导铜氧化物中赝能隙态下的拓扑磁涡旋序 305
8.2.1 引言 305
8.2.2 赝能隙态下异常磁结构的理论预测 305
8.2.3 赝能隙态下时间反演对称性破缺的前期实验基础 307
8.2.4 赝能隙态下拓扑磁涡旋结构的发现 308
8.2.5 拓扑磁涡旋结构随外加磁场和外加温度场的演变 309
8.2.6 铜氧化物 YBa2Cu3O6+x 的拓扑磁涡旋相图的构建 311
8.2.7 拓扑序与电荷序的关联作用 312
8.2.8 小结 313
参考文献 313
8.3 自旋流器件 YIG-Pt 界面序参量的测量及关联性研究 315
8.3.1 自旋流器件性能与界面结构的关联性 315
8.3.2 Y3Fe5O12-Pt 自旋流器件界面原子结构的测量 316
8.3.3 Y3Fe5O12-Pt 自旋流器件界面成分和价态的测量 317
8.3.4 Y3Fe5O12-Pt 自旋流器件界面磁性的测量 319
8.3.5 小结 322
参考文献 323
8.4 LuFeO 中电子–晶格关联作用诱导点阵重构的实空间探测 324
8.4.1 LuFeO 中电子–晶格关联作用及衍生物态 324
8.4.2 LuFeO 中晶格重构的测量 325
8.4.3 LuFeO 中电子–晶格关联作用诱导的晶格重构 326
8.4.4 LuFeO 中电子–晶格关联作用诱导的晶格重构——探测实空间的电子态分布 329
8.4.5 小结 330
参考文献 330
8.5 BiFeO3 中极化拓扑结构的化学调控及外电场响应的关联性研究 331
8.5.1 铁酸铋中的极化拓扑结构 332
8.5.2 铁酸铋顶层结构的原子尺度序参量表征 335
8.5.3 拓扑结构的外电场响应 337
8.5.4 小结 338
参考文献 339
致谢 341