研究人員發(fā)現(xiàn)世界首例光陰極量子材料

西湖大學(xué)理學(xué)院何睿華課題組連同研究合作者，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(wú)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。

光陰極材料是當(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。一直以來(lái)，它存在固有的性能缺陷——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(yùn)動(dòng)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(lái)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。

盡管基于光陰極的電子槍技術(shù)最近幾十年來(lái)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，它已漸漸無(wú)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(jí)換代呼喚初始電子束相干性在數(shù)量級(jí)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(shí)現(xiàn)的了，只能寄望于在材料和理論層面上的源頭創(chuàng)新。

何睿華團(tuán)隊(duì)意外在一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室中“常見”的量子材料“鈦酸鍶(SrTiO3)”上實(shí)現(xiàn)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(dāng)作硅基半導(dǎo)體的潛在替代材料來(lái)研究，但何睿華團(tuán)隊(duì)卻通過(guò)一種強(qiáng)大的、但很少被應(yīng)用于光陰極研究的實(shí)驗(yàn)手段：角分辨光電子能譜技術(shù)，出乎意料地捕捉到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，且無(wú)法為現(xiàn)有光電發(fā)射理論所解釋。