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西湖大学理学院何睿华课题组连同其他合作者，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天地。相关成果近日在线发表于《自然》。
摄影师镜头下，首例具有本征相干性的光阴极量子材料钛酸锶。课题组供图
光阴极材料是当代粒子加速器、自由电子激光、超快电镜、高分辨电子谱仪等尖端科技装置的核心元件。一直以来，它存在固有的性能缺陷——所发射的电子束“相干性”太差，也就是电子束的发射角太大，其中的电子运动速度不均一。这样的初始电子束要想满足尖端科技应用的要求，必须依赖一系列材料工艺和电气工程技术来增强它的相干性，而这些特殊工艺和辅助技术的引入，极大增加了“电子枪”系统的复杂度，提高了建造要求和成本。
尽管基于光阴极的电子枪技术最近几十年来有了长足发展，但它已渐渐无法跟上相关科技应用发展的步伐。许多尖端科技的升级换代要求初始电子束相干性在数量级上有所提升，而这已不是一般的光阴极性能优化能实现的，只能寄望于材料和理论层面的源头创新。
何睿华团队意外在一个物理实验室中常见的量子材料钛酸锶上实现了突破。他们通过一种强大但很少被用于光阴极研究的实验手段——角分辨光电子能谱技术，出乎意料地捕捉到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，发现它有着远超现有光阴极材料的关键性能——相干性，且无法为现有光电发射理论所解释。
《自然》论文匿名审稿人指出：“这一发现可能会使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。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05900-4
