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3月8日,西湖大学理学院何睿华课题组连同研究合作者一起,发现了世界首例具有本征相干性的光阴极量子材料,其性能远超传统的光阴极材料,且无法为现有理论所解释,为光阴极研发、应用与基础理论发展打开了新的天地。相关论文“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”已发表于Nature期刊。西湖大学博士研究生洪彩云、邹文俊和冉鹏旭为共同第一作者,西湖大学理学院长聘副教授何睿华为通讯作者。全部实验和理论工作都在西湖大学完成。原本,何睿华实验室所进行的一个“小”研究项目是研究量子材料的逸出功(注:在光电效应中,电子跃出材料表面需要付出一定的能量“代价”,即逸出功)。依托物质科学平台的超高真空互联系统,以“高通量”手法批量测量各材料的逸出功时,他们偶然发现钛酸锶有些“与众不同”,并且抓住了这个“意外”,这才得以有了后面的发现。有趣的是,实验室“无心插柳柳成荫”的发现,似乎在冥冥中,也呼应了人类与光电效应意外“相遇”的起始点——1887 年,赫兹为了证明麦克斯韦的电磁波预言,进行了火花放电实验,而偶然发现了这种神奇的现象。在激动人心的发现过后,何睿华实验室立刻投身于下一步的探索之中。据本成果的第一作者、西湖大学理学院2019级博士生洪彩云介绍,接下来,他们将进一步在理论和应用方面展开对钛酸锶材料的研究工作。在理论方面,既然现有理论失灵了,那就意味着需要建立新的理论,来解释观察到的钛酸锶光阴极性能。何睿华对此给出了一个非常大胆的猜想,跟Bansil组合作提出了一个全新的光电发射机制。按照这个新的理论,他们预测了一大类由此新机制主导的候选光阴极量子材料,实验团队正计划对这些材料预测进行一一验证。在应用方面,既然钛酸锶材料比已有的光阴极材料表现都要更理想,团队也计划与相关领域的团队合作,挖掘这种材料的实际应用价值。探索前人未达之境。热爱“冒险”的西湖科学家们,将进一步挖掘光阴极材料的更多奥秘。尽管基于光阴极的电子枪技术最近几十年来有了长足的发展,但它已渐渐无法跟上相关科技应用发展的步伐。长期深耕材料物理性质研究的西湖大学理学院何睿华团队,意外在一个同类物理实验室中“常见”的身影——钛酸锶上实现了突破。近年来兴起的一大类新的材料——量子材料,以其复杂多变的性质和丰富多样的功能而著称。然而,以钛酸锶为首的氧化物量子材料研究,其主流是将这些材料当作硅基半导体的潜在替代材料来研究,主要关注的是它们独特的电子学相关性质。但何睿华团队却在实验中发现,这些熟悉的材料竟然同样承载着触发新奇光电效应的能力——它有着远超于现有光阴极材料的光阴极关键性能:相干性,从而极大地弥补了现有光阴极材料的缺憾。在RT附近测量到的SPS的TA相关演化(图源自Nature )图 3. 当TA=1100 ℃时,SPS在5 K时的表征图 2. TA=1100 ℃时,SPS的T-依赖性演变Nature论文匿名审稿人指出:“这一发现可能会导致光阴极技术发生范式转变,该技术长期以来一直受困于(电子枪)电子束不能同时具有高相干性和高束流强度的矛盾,(这个矛盾的)根源就在于初始电子束的本征非相干性。”超快电镜专家、论文合作者、西湖大学理学院研究员郑昌喜认为,合作团队发现的重要性“不在于往钛酸锶的神奇性质列表增添了一个新的性质,而在于这个性质本身,它可能重启一个极其重要、被普遍认为已发展成熟的光阴极技术领域,改变许多早已根深蒂固的游戏规则”。https://www.nature.com/articles/s41586-023-05900-4