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我國學(xué)者發(fā)現(xiàn)首例具有本征相干性的光陰極量子材料

來源: 山西中德鼎立機(jī)械制造集團(tuán)有限公司 >> 進(jìn)入該公司展臺(tái) 2023/07/20 10:39:40 已瀏覽:
導(dǎo)讀:光陰極是一種能夠利用光電效應(yīng)將入射光子轉(zhuǎn)化為出射電子的電極。它是當(dāng)代粒子加速器、自由電子激光、高分辨超快電子顯微鏡等前沿技術(shù)的核心元件。

在*自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:12274353、11874053)等資助下,西湖大學(xué)理學(xué)何睿華教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了首例具有本征相干性的光陰極量子材料,其性能遠(yuǎn)目前已知的所有光陰極材料,突破了現(xiàn)有理論框架,為下一代光陰極的基礎(chǔ)理論、研發(fā)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。研究成果以“一種鈣鈦礦氧化物的反常高強(qiáng)度相干二次光電子發(fā)射(Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide)”為題,于2023年5月18日在《自然》(Nature)期刊正式發(fā)表。文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s40-4。   光陰極是一種能夠利用光電效應(yīng)將入射光子轉(zhuǎn)化為出射電子的電極。它是當(dāng)代粒子加速器、自由電子激光、高分辨快電子顯微鏡等前沿技術(shù)的核心元件。早在六十多年前,大部分現(xiàn)有的光陰極材料(傳統(tǒng)金屬或半導(dǎo)體)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),它們的光電性能也可以被當(dāng)時(shí)已建立的光電發(fā)射理論*解釋。長久以來,光陰極領(lǐng)域的發(fā)展緩慢,科學(xué)家們主要依靠材料工程技術(shù)來改善基于既有材料所制作的光陰極的性能。然而,這些光陰極所產(chǎn)生的電子束都存在著“相干性”差(電子發(fā)射的方向不一致和能量不均一)的內(nèi)秉缺陷,由此要獲得*科技應(yīng)用所需的高相干性電子束,就必須犧牲光陰極的發(fā)射效率。這個(gè)限制因素極大地制約了光陰極電子源亮度的提升空間,使之日益難以滿足相關(guān)前沿技術(shù)升級換代的要求。因此,找到具有高相干性的*光陰極材料將有助于打破當(dāng)前的困局。   近年來,具有復(fù)雜多變的性質(zhì)和豐富多樣功能的量子材料已成為物理和材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而,此前科學(xué)家們從未考慮過將這類*材料應(yīng)用于光陰極。在本工作中,何睿華教授團(tuán)隊(duì)突破了光陰極領(lǐng)域的常規(guī)研究對象(具有多晶表面的材料)和常規(guī)研究手段(光電流探測),采用角分辨光電子能譜(ARPES)技術(shù)探索了具有*簡單結(jié)構(gòu)的量子材料SrTiO3單晶的光陰極特性。與量子材料領(lǐng)域的常規(guī)ARPES測量不同,團(tuán)隊(duì)采用了非常規(guī)ARPES配置以測量光電子能譜中跟材料的光陰極性能相關(guān)的低動(dòng)能區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,具有2×1重構(gòu)的SrTiO3單晶表面所發(fā)射的光電子束,其相干性遠(yuǎn)高于已知的光陰性材料。研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)SrTiO3單晶表現(xiàn)出的優(yōu)異光陰極性能來源于其表面奇特的光電發(fā)射機(jī)制——自發(fā)相干二次光電子發(fā)射,該特性不能被已知的光電發(fā)射理論所解釋。   本工作不僅首次發(fā)現(xiàn)了一種具有本征相干性的*光陰極材料,更為重要的是,它對未來探索性能優(yōu)異的光陰極材料開辟了新視角,有望推動(dòng)該領(lǐng)域研究范式的變革。此外,該發(fā)現(xiàn)本身也清楚地表明在目前光電發(fā)射理論框架之外可能存在一種未知的物理過程,有望增進(jìn)人們對光電發(fā)射物理的理解,進(jìn)一步完善其理論框架。

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