我國科學家發現世界首例光陰極量子材料 或將重啟光陰極技術領域
【化工儀器網 項目成果】光陰極材料，即利用光電效應將光子轉化為電子的材料，是許多依賴于光檢測或電子束生成的現代技術的關鍵基礎與核心元件，包括粒子加速器、自由電子激光、超快電鏡、高分辨電子譜儀等尖端科技裝置等。
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。
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，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課題組連同研究合作者，在一個物理實驗室中“常見”的量子材料“鈦酸鍶(SrTiO3)”上實現了突破。他們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。
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。
《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范式轉變，該技術長期以來一直受困于(電子槍)電子束不能同時具有高相干性和高束流強度的矛盾，(這個矛盾的)根源就在于初始電子束的本征非相干性。”
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“。
相關論文“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”于近日發表于國際期刊《自然》(Nature)。
參考資料來源：中國科學報
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