世界首例,！我國(guó)發(fā)現(xiàn)首個(gè)“光陰極”量子材料：理論源于愛因斯坦

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據(jù)西湖大學(xué)公眾號(hào)消息,，該校學(xué)院何睿華課題組連同研究合作者一起，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,。

3月8日,，相關(guān)論文“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”，已提前線上發(fā)表于Nature期刊,。西湖大學(xué)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(xué)理學(xué)院長(zhǎng)聘副教授何睿華為通訊作者,。

全部實(shí)驗(yàn)和理論工作都在西湖大學(xué)完成,。

西湖大學(xué)介紹稱，1887年,，德國(guó)物理學(xué)家赫茲在實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn),，紫外線照射到金屬表面電極上會(huì)產(chǎn)生火花。

1905年,，愛因斯坦基于光的量子化猜想,，提出了對(duì)該現(xiàn)象的理論解釋。

這標(biāo)志著量子力學(xué)大門的正式開啟,，因?yàn)檫@個(gè)貢獻(xiàn),，愛因斯坦于1921年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

由此,，將“光”轉(zhuǎn)化為“電”的“光電效應(yīng)”,，以及能夠產(chǎn)生這個(gè)效應(yīng)的“光陰極”材料，正式進(jìn)入了人類的視野,。

伴隨著對(duì)光電效應(yīng)理解的加深,，人們后來發(fā)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(yù)言了當(dāng)時(shí)未知的光陰極材料,。

這些光陰極材料基本上都是傳統(tǒng)金屬和半導(dǎo)體材料，大多數(shù)在60年前被發(fā)現(xiàn),。

它們已經(jīng)成為當(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,。

這類高精尖設(shè)備除了常見于實(shí)驗(yàn)室，還被應(yīng)用在大眾生活中,，如粒子加速器已被用于治療癌癥,、殺滅細(xì)菌、開發(fā)包裝材料,、改進(jìn)車輛的燃料注入等,。簡(jiǎn)單說來,，光陰極材料是否“好用”，直接關(guān)系著這類設(shè)備的性能,。

然而，這些傳統(tǒng)的光陰極材料存在固有的性能缺陷——它們所發(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,。

“改變?cè)S多早已根深蒂固的游戲規(guī)則”

盡管基于光陰極的電子槍技術(shù)最近幾十年來有了長(zhǎng)足的發(fā)展,，但它已漸漸無法跟上相關(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。

長(zhǎng)期深耕材料物理性質(zhì)研究的西湖大學(xué)理學(xué)院何睿華團(tuán)隊(duì),，意外在一個(gè)同類物理實(shí)驗(yàn)室中“常見”的身影——鈦酸鍶上實(shí)現(xiàn)了突破,。

近年來興起的一大類新的材料——量子材料，以其復(fù)雜多變的性質(zhì)和豐富多樣的功能而著稱,。具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶（SrTiO3）是這類材料的重要代表之一,。

被譽(yù)為“鈦酸鍶之父”、高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)人,、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者K. A. Muller教授稱鈦酸鍶為“固體物理中的果蠅”,，因?yàn)楹芏嘀匾�的固體物理現(xiàn)象都是首先從該材料上發(fā)現(xiàn)的，其中還包括許多尚未被理解的現(xiàn)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(dāng)作硅基半導(dǎo)體的潛在替代材料來研究,，主要關(guān)注的是它們獨(dú)特的電子學(xué)相關(guān)性質(zhì),。

但何睿華團(tuán)隊(duì)卻在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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,，從而極大地彌補(bǔ)了現(xiàn)有光陰極材料的缺憾,。

超快電鏡專家、論文合作者,、西湖大學(xué)理學(xué)院研究員鄭昌喜認(rèn)為,，合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的重要性“不在于往鈦酸鍶的神奇性質(zhì)列表增添了一個(gè)新的性質(zhì)，而在于這個(gè)性質(zhì)本身,，它可能重啟一個(gè)極其重要,、被普遍認(rèn)為已發(fā)展成熟的光陰極技術(shù)領(lǐng)域,，改變?cè)S多早已根深蒂固的游戲規(guī)則”。

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