世界首例！我國發(fā)現(xiàn)首個“光陰極”量子材料：理論源于愛因斯坦

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據(jù)西湖大學(xué)公眾號消息，該校學(xué)院何睿華課題組連同研究合作者一起，發(fā)現(xiàn)了世界首例具有本征相干性的光陰極量子材料，其性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的光陰極材料，且無法為現(xiàn)有理論所解釋，為光陰極研發(fā)、應(yīng)用與基礎(chǔ)理論發(fā)展打開了新的天地。

3月8日，相關(guān)論文“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”，已提前線上發(fā)表于Nature期刊。西湖大學(xué)博士研究生洪彩云、鄒文俊和冉鵬旭為共同第一作者，西湖大學(xué)理學(xué)院長聘副教授何睿華為通訊作者。

全部實驗和理論工作都在西湖大學(xué)完成。

西湖大學(xué)介紹稱，1887年，德國物理學(xué)家赫茲在實驗中意外發(fā)現(xiàn)，紫外線照射到金屬表面電極上會產(chǎn)生火花。

1905年，愛因斯坦基于光的量子化猜想，提出了對該現(xiàn)象的理論解釋。

這標(biāo)志著量子力學(xué)大門的正式開啟，因為這個貢獻(xiàn)，愛因斯坦于1921年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。

由此，將“光”轉(zhuǎn)化為“電”的“光電效應(yīng)”，以及能夠產(chǎn)生這個效應(yīng)的“光陰極”材料，正式進(jìn)入了人類的視野。

伴隨著對光電效應(yīng)理解的加深，人們后來發(fā)展出了更完善的理論，能夠解釋所有光陰極材料的基本性能，并成功預(yù)言了當(dāng)時未知的光陰極材料。

這些光陰極材料基本上都是傳統(tǒng)金屬和半導(dǎo)體材料，大多數(shù)在60年前被發(fā)現(xiàn)。

它們已經(jīng)成為當(dāng)代粒子加速器、自由電子激光、超快電鏡、高分辨電子譜儀等尖端科技裝置的核心元件。

這類高精尖設(shè)備除了常見于實驗室，還被應(yīng)用在大眾生活中，如粒子加速器已被用于治療癌癥、殺滅細(xì)菌、開發(fā)包裝材料、改進(jìn)車輛的燃料注入等。簡單說來，光陰極材料是否“好用”，直接關(guān)系著這類設(shè)備的性能。

然而，這些傳統(tǒng)的光陰極材料存在固有的性能缺陷——它們所發(fā)射的電子束“相干性”太差，也就是電子束的發(fā)射角太大，其中的電子運動速度不均一。

這樣的“初始“電子束要想滿足尖端科技應(yīng)用的要求，必須依賴一系列材料工藝和電氣工程技術(shù)來增強(qiáng)它的相干性，而這些特殊工藝和輔助技術(shù)的引入極大地增加了“電子槍”系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了建造要求和成本。

“改變許多早已根深蒂固的游戲規(guī)則”

盡管基于光陰極的電子槍技術(shù)最近幾十年來有了長足的發(fā)展，但它已漸漸無法跟上相關(guān)科技應(yīng)用發(fā)展的步伐。

許多前述尖端科技的升級換代呼喚初始電子束相干性在數(shù)量級上的提升，而這已經(jīng)不是一般的光陰極性能優(yōu)化所能實現(xiàn)的了，只能寄望于在材料和理論層面上的源頭創(chuàng)新。

長期深耕材料物理性質(zhì)研究的西湖大學(xué)理學(xué)院何睿華團(tuán)隊，意外在一個同類物理實驗室中“常見”的身影——鈦酸鍶上實現(xiàn)了突破。

近年來興起的一大類新的材料——量子材料，以其復(fù)雜多變的性質(zhì)和豐富多樣的功能而著稱。具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶（SrTiO3）是這類材料的重要代表之一。

被譽為“鈦酸鍶之父”、高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)人、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者K. A. Muller教授稱鈦酸鍶為“固體物理中的果蠅”，因為很多重要的固體物理現(xiàn)象都是首先從該材料上發(fā)現(xiàn)的，其中還包括許多尚未被理解的現(xiàn)象。

然而，以鈦酸鍶為首的氧化物量子材料研究，其主流是將這些材料當(dāng)作硅基半導(dǎo)體的潛在替代材料來研究，主要關(guān)注的是它們獨特的電子學(xué)相關(guān)性質(zhì)。

但何睿華團(tuán)隊卻在實驗中發(fā)現(xiàn)，這些熟悉的材料竟然同樣承載著觸發(fā)新奇光電效應(yīng)的能力——它有著遠(yuǎn)超于現(xiàn)有光陰極材料的光陰極關(guān)鍵性能：相干性，從而極大地彌補(bǔ)了現(xiàn)有光陰極材料的缺憾。

超快電鏡專家、論文合作者、西湖大學(xué)理學(xué)院研究員鄭昌喜認(rèn)為，合作團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的重要性“不在于往鈦酸鍶的神奇性質(zhì)列表增添了一個新的性質(zhì)，而在于這個性質(zhì)本身，它可能重啟一個極其重要、被普遍認(rèn)為已發(fā)展成熟的光陰極技術(shù)領(lǐng)域，改變許多早已根深蒂固的游戲規(guī)則”。

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