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據西湖大學公眾號消息，該校學院何睿華課題組連同研究合作者一起，發現了世界首例具有本征相干性的光陰極量子材料，其性能遠超傳統的光陰極材料，且無法為現有理論所解釋，為光陰極研發、應用與基礎理論發展打開了新的天地。
3月8日，相關論文“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”，已提前線上發表于Nature期刊。西湖大學博士研究生洪彩云、鄒文俊和冉鵬旭為共同第一作者，西湖大學理學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完成。
西湖大學介紹稱，1887年，德國物理學家赫茲在實驗中意外發現，紫外線照射到金屬表面電極上會產生火花。
1905年，愛因斯坦基于光的量子化猜想，提出了對該現象的理論解釋。 這標志著量子力學大門的正式開啟，因為這個貢獻，愛因斯坦于1921年被授予諾貝爾物理學獎。
由此，將“光”轉化為“電”的“光電效應”，以及能夠產生這個效應的“光陰極”材料，正式進入了人類的視野。
伴隨著對光電效應理解的加深，人們后來發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，并成功預言了當時未知的光陰極材料。
這些光陰極材料基本上都是傳統金屬和半導體材料，大多數在60年前被發現。
它們已經成為當代粒子加速器、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。
這類高精尖設備除了常見于實驗室，還被應用在大眾生活中，如粒子加速器已被用于治療癌癥、殺滅細菌、開發包裝材料、改進車輛的燃料注入等。簡單說來，光陰極材料是否“好用”，直接關系著這類設備的性能。
然而，這些傳統的光陰極材料存在固有的性能缺陷——它們所發射的電子束“相干性”太差，也就是電子束的發射角太大，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用的要求，必須依賴一系列材料工藝和電氣工程技術來增強它的相干性，而這些特殊工藝和輔助技術的引入極大地增加了“電子槍”系統的復雜度，提高了建造要求和成本。
“改變許多早已根深蒂固的游戲規則” 盡管基于光陰極的電子槍技術最近幾十年來有了長足的發展，但它已漸漸無法跟上相關科技應用發展的步伐。
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量級上的提升，而這已經不是一般的光陰極性能優化所能實現的了，只能寄望于在材料和理論層面上的源頭創新。
長期深耕材料物理性質研究的西湖大學理學院何睿華團隊，意外在一個同類物理實驗室中“常見”的身影——鈦酸鍶上實現了突破。 近年來興起的一大類新的材料——量子材料，以其復雜多變的性質和豐富多樣的功能而著稱。具有鈣鈦礦結構的鈦酸鍶（SrTiO3）是這類材料的重要代表之一。
被譽為“鈦酸鍶之父”、高溫超導發現人、諾貝爾物理學獎獲得者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象都是首先從該材料上發現的，其中還包括許多尚未被理解的現象。
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作硅基半導體的潛在替代材料來研究，主要關注的是它們獨特的電子學相關性質。
但何睿華團隊卻在實驗中發現，這些熟悉的材料竟然同樣承載著觸發新奇光電效應的能力——它有著遠超于現有光陰極材料的光陰極關鍵性能：相干性，從而極大地彌補了現有光陰極材料的缺憾。 超快電鏡專家、論文合作者、西湖大學理學院研究員鄭昌喜認為，合作團隊發現的重要性“不在于往鈦酸鍶的神奇性質列表增添了一個新的性質，而在于這個性質本身，它可能重啟一個極其重要、被普遍認為已發展成熟的光陰極技術領域，改變許多早已根深蒂固的游戲規則”。
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發表于 2023-3-10 13:32:37
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