世界首例！我國科學家發現光陰極“量子”材料

記者從西湖大學獲悉，西湖大學理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。

北京時間3月9日凌晨，相關論文《一種鈣鈦礦氧化物上的反常強烈相干二次光電子發射》，已提前在線發表于《自然》期刊。西湖大學博士研究生洪彩云、鄒文俊和冉鵬旭為論文共同第一作者，西湖大學理學院終身副教授何睿華為通訊作者。

攝影師鏡頭下，首例具有本征相干性的光陰極量子材料：鈦酸鍶。

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。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，正式進入人類的視野。

“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。”何睿華表示，然而，這些傳統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，也就是說，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。

普通光陰極材料（a）和光陰極量子材料鈦酸鍶（b）所發射的初始電子束的區別。

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。

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”的量子材料——鈦酸鍶上實現了突破。

此前以鈦酸鍶為首的氧化物量子材料研究，主要是將這些材料當作硅基半導體的潛在替代材料來研究，但何睿華團隊卻通過一種強大的、但很少被應用于光陰極研究的實驗手段：角分辨光電子能譜技術，出乎意料地捕捉到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，且無法為現有光電發射理論所解釋。

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，合作團隊的這一發現，其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。

記者了解到，接下來，該團隊將在理論和應用方面開展對相關材料的進一步研究工作。