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西湖大學何睿華實驗室發現首個光陰極“量子”材料

發布時間：2023/3/13 10:08:30編輯：Ma Liang
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近期，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。

3月8日，相關論文“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”，已提前線上發表于Nature期刊。西湖大學博士研究生洪彩云、鄒文俊和冉鵬旭為共同第一作者，西湖大學理學院長聘副教授何睿華為通訊作者。全部實驗和理論工作都在西湖大學完成。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05900-4

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。

光陰極：輝煌的出身，沉寂的領域，現代科技的基石之一

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，因為這個貢獻，愛因斯坦于1921年被授予諾貝爾物理學獎。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，正式進入了人類的視野。

伴隨著對光電效應理解的加深，人們后來發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，并成功預言了當時未知的光陰極材料。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。它們已經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。這類高精尖設備除了常見于實驗室，還被應用在大眾生活中，如粒子加速器已被用于治療癌癥、殺滅細菌、開發包裝材料、改進車輛的燃料注入等。簡單說來，光陰極材料是否“好用”，直接關系著這類設備的性能。

然而，這些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。

鈦酸鍶：量子材料之光，光陰極領域的潛在重啟者

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。

長期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”的身影——鈦酸鍶上實現了突破。

近年來興起的一大類新的材料——量子材料，以其復雜多變的性質和豐富多樣的功能而著稱。具有鈣鈦礦結構的鈦酸鍶（SrTiO3）是這類材料的重要代表之一。被譽為“鈦酸鍶之父”、高溫超導發現人、諾貝爾物理學獎獲得者K. A. Muller教授稱鈦酸鍶為“固體物理中的果蠅”，因為很多重要的固體物理現象都是首先從該材料上發現的，其中還包括許多尚未被理解的現象。

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作硅基半導體的潛在替代材料來研究，主要關注的是它們獨特的電子學相關性質。但何睿華團隊卻在實驗中發現，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（見圖1說明），從而極大地彌補了現有光陰極材料的缺憾。

圖1. 鈦酸鍶和其他材料的初始電子束能譜分析對比。前者具有更高的初始電子束相干性，具體體現為：電子發射動能能量發散度小于0.01 eV（a），發散角小于2°（b），相比普通材料的約0.5 eV和20°有了數量級上的提升。

Nature論文匿名審稿人指出：“與類似實驗條件下的其他現有光陰極相比，鈦酸鍶光陰極最重要的性質是它所發射的初始電子束所具有的相干性有了數量級上的提升。這種性能上的巨大飛躍允許（人們）完整獲得具有本征相干性的電子束，而無需為了提高相干性而犧牲電子束流強度。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。”

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”。

角分辨光電子能譜：以子之矛，攻子之盾

圖片設計師：林晨

科學探索常常在意外中觸碰出新的火花。為什么何睿華團隊能在“常見”的材料上獲得新的發現？這得歸功于一種強大的、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。

以往，由于大部分具有較高性能的傳統光陰極材料其表面具有多晶或非晶結構，光陰極領域的主流研究方法依賴的主要是光電流探測，這個135年前已開始使用的實驗手段。這也使得一大類新近發展出來的研究單晶量子材料的實驗利器無用武之地，其中包括角分辨光電子能譜技術。

究其本質，角分辨光電子能譜技術這個技術的工作原理，就是光電效應。它被用于探測材料的電子結構，即了解電子如何在材料里運動。在過去的幾十年里，角分辨光電子能譜技術主要用于研究跟材料的光學、電學和熱學性質相關的那部分電子結構。受這種強烈的科學關注的驅使，現有大多數實驗設施針對相關能量區域內的電子結構測量進行了相應的配置和優化。

誰能想到，這個運用了光電效應原理的技術，竟然能“以子之矛，攻子之盾”，挖掘出光電效應中新的物理——在實驗中，西湖大學何睿華團隊使用了這個源自光電效應的量子材料研究利器，出乎意料地捕捉到了單晶量子材料的獨特光電發射特性。

通過對角分辨光電子能譜儀進行“非常規”配置，以實現對非常規能量區域內、與光電效應相關的電子結構測量，他們發現鈦酸鍶優越的光陰極性能來自于其獨特的光電發射性質（圖2），而這些性質明顯不同于所有已知的光陰極材料�？梢哉f，它們幾乎在每個主要方面都超出了已有光電發射理論的預期。

圖2. 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。

關于西湖大學團隊的以上結論，角分辨光電子能譜理論權威、論文合作者、美國東北大學教授Arun Bansil進行了理論確認，他指出：“（這個發現）表明我們對光電效應相關物理過程的完整理解缺少一些很基本的東西，而這個缺失的元素可能成為開啟整個光陰極量子材料家族之門的鑰匙，（這些材料）具有獨特的、不為現有材料所具有的光陰極性能。”

展望：從理論到應用的待解之謎

而發現，往往只是駛向未知浩瀚海洋的第一步。在激動人心的發現過后，何睿華實驗室立刻投身于下一步的探索之中。

據本成果的第一作者、西湖大學理學院2019級博士生洪彩云介紹，接下來，他們將進一步在理論和應用方面展開對鈦酸鍶材料的研究工作。

在理論方面，既然現有理論失靈了，那就意味著需要建立新的理論，來解釋觀察到的鈦酸鍶光陰極性能。何睿華對此給出了一個非常大膽的猜想，跟Bansil組合作提出了一個全新的光電發射機制。按照這個新的理論，他們預測了一大類由此新機制主導的候選光陰極量子材料，實驗團隊正計劃對這些材料預測進行一一驗證。

在應用方面，既然鈦酸鍶材料比已有的光陰極材料表現都要更理想，團隊也計劃與相關領域的團隊合作，挖掘這種材料的實際應用價值。

何睿華在西湖大學的個人介紹頁面上，寫著對這所學校的心愿：“希望西湖大學能成為一個具有獨特定位，鼓勵學科交叉和大膽創新的冒險家樂園”。事實上，首個光陰極量子材料鈦酸鍶的發現，也正開花于他帶領團隊進行的長達數年的沉浸式“冒險”探索之中。

原本，實驗室所進行的一個“小”研究項目是研究量子材料的逸出功（注：在光電效應中，電子躍出材料表面需要付出一定的能量“代價”，即逸出功）。依托物質科學平臺的超高真空互聯系統，以“高通量”手法批量測量各材料的逸出功時，他們偶然發現鈦酸鍶有些“與眾不同”，并且抓住了這個“意外”，這才得以有了后面的發現。

有趣的是，何睿華實驗室“無心插柳柳成蔭”的發現，似乎在冥冥中，也呼應了人類與光電效應意外“相遇”的起始點——1887 年，赫茲為了證明麥克斯韋的電磁波預言，進行了火花放電實驗，而偶然發現了這種神奇的現象。

探索前人未達之境。熱愛“冒險”的西湖科學家們，將進一步挖掘光陰極材料的更多奧秘。