我科學家發現世界首個光陰極“量子”材料

近日，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徵相干性的光陰極“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。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》，已于北京時間3月9日淩晨線上發表于《自然》期刊。

1887年，德國物理學家赫茲在實驗中發現，紫外線照射到金屬表面電極上會産生火花。1905年，愛因斯坦基於光的量子化猜想，提出了對該現象的理論解釋。這標誌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”，以及能夠産生這個效應的“光陰極”材料，正式進入了人類視野。這些光陰極材料已成為當代粒子加速器、自由電子鐳射、超快電鏡、高分辨電子譜儀等尖端科技裝置的核心元件。

然而，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”太弱——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其相干性，而這些特殊工藝和輔助技術的引入，提高了建造要求和成本。儘管基於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。

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，何睿華團隊卻通過一種強大但很少被應用於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。

《自然》論文匿名審稿人指出：“這一發現可能會導致光陰極技術發生範式轉變。”

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“不在於往鈦酸鍶的神奇性質列表增添了一個新的性質，而在於這個性質本身，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遊戲規則”。