在*自然科學基金項目（批準號：12274353、11874053）等資助下，西湖大學理學何睿華教授團隊發(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理論、研發(fā)與應用奠定了基礎。研究成果以“一種鈣鈦礦氧化物的反常高強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將入射光子轉(zhuǎn)化為出射電子的電極。它是當代粒子加速器、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)金屬或半導體）已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，它們的光電性能也可以被當時已建立的光電發(fā)射理論*解釋。長久以來，光陰極領域的發(fā)展緩慢，科學家們主要依靠材料工程技術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前沿技術升級換代的要求。因此，找到具有高相干性的*光陰極材料將有助于打破當前的困局。   近年來，具有復雜多變的性質(zhì)和豐富多樣功能的量子材料已成為物理和材料領域的研究熱點。然而，此前科學家們從未考慮過將這類*材料應用于光陰極。在本工作中，何睿華教授團隊突破了光陰極領域的常規(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。與量子材料領域的常規(guī)ARPES測量不同，團隊采用了非常規(guī)ARPES配置以測量光電子能譜中跟材料的光陰極性能相關的低動能區(qū)域。實驗結(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，其相干性遠高于已知的光陰性材料。研究團隊同時發(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，有望推動該領域研究范式的變革。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，有望增進人們對光電發(fā)射物理的理解，進一步完善其理論框架。