世界首例！西湖大学实验室发现首个“光阴极”量子材料

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。 西湖大学微信公众号 图

近日，又有多篇中国科学家文章登上《自然》杂志（Nature）。

据西湖大学官方微信公众号消息，近期，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。

3月8日，相关论文“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”，已提前线上发表于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。

什么是光阴极？

上述西湖大学官方微信公众号文章介绍，1887年，德国物理学家赫兹在实验中意外发现，紫外线照射到金属表面电极上会产生火花。1905年，爱因斯坦基于光的量子化猜想，提出了对该现象的理论解释。这标志着量子力学大门的正式开启，因为这个贡献，爱因斯坦于1921年被授予诺贝尔物理学奖。由此，将“光”转化为“电”的“光电效应”，以及能够产生这个效应的“光阴极”材料，正式进入了人类的视野。

伴随着对光电效应理解的加深，人们后来发展出了更完善的理论，能够解释所有光阴极材料的基本性能，并成功预言了当时未知的光阴极材料。这些光阴极材料基本上都是传统金属和半导体材料，大多数在60年前被发现。它们已经成为当代粒子加速器、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。这类高精尖设备除了常见于实验室，还被应用在大众生活中，如粒子加速器已被用于治疗癌症、杀灭细菌、开发包装材料、改进车辆的燃料注入等。简单说来，光阴极材料是否“好用”，直接关系着这类设备的性能。

然而，这些传统的光阴极材料存在固有的性能缺陷——它们所发射的电子束“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地增加了“电子枪”系统的复杂度，提高了建造要求和成本。

“改变许多早已根深蒂固的游戏规则”

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。许多前述尖端科技的升级换代呼唤初始电子束相干性在数量级上的提升，而这已经不是一般的光阴极性能优化所能实现的了，只能寄望于在材料和理论层面上的源头创新。

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。具有钙钛矿结构的钛酸锶（SrTiO3）是这类材料的重要代表之一。被誉为“钛酸锶之父”、高温超导发现人、诺贝尔物理学奖获得者K. A. Muller教授称钛酸锶为“固体物理中的果蝇”，因为很多重要的固体物理现象都是首先从该材料上发现的，其中还包括许多尚未被理解的现象。

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。

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”。

何睿华：希望西湖大学能成为大胆创新的冒险家乐园

据西湖大学官网介绍，何睿华，2001（2004）年复旦大学学士（硕士），2010年美国斯坦福大学应用物理学博士，2010-2012年美国劳伦斯伯克利国家实验室先进光源博士后，2012年起任美国麻省波士顿学院物理系助理教授，2015年美国国家科学基金杰出青年学者（NSF CAREER），现为西湖大学理学院终身副教授，兼任美国东北大学理学院外聘教授和英国自然出版集团旗下《科学报告》等杂志学术编委。

何睿华一直从事实验凝聚态物理基础研究，主要使用基于同步辐射X射线和真空紫外光的多种实验手段去研究强关联电子材料中的各种演生现象。获学界认可的主要成就包括首次在高温超导铜氧化合物中获得赝能隙态粒子-空穴对称性破缺的证据，首次实验上观测到固体（铱氧化物）中的三维负电子压缩率，分别首次观察到在铜氧化合物中的新型电荷与自旋有序现象，首次发现复杂氧化物绝缘体（钛氧化物和钽氧化物）表面二维电子液体等。

何睿华在一流学术杂志共发表论文共36篇，包括以第一作者发表在Science1篇，Nature Physics2篇和Physical Review Letters1篇，以通讯作者发表在Nature Materials和Nature Communications各1篇，以及在Nature Physics受邀研究综述1篇。论文累计被引用3200余次，H指数25（根据Google Scholar）。其中在高温超导方面的相关工作多次分别被劳伦斯伯克利国家实验室、美国国家加速器实验室和斯坦福大学以重点新闻在主页首页推介，被超过100个主要科技、商业、公共媒体在7个国家用4种语言报道或转载。

何睿华在西湖大学的个人介绍页面上，写着对这所学校的心愿：“希望西湖大学能成为一个具有独特定位，鼓励学科交叉和大胆创新的冒险家乐园”。事实上，首个光阴极量子材料钛酸锶的发现，也正开花于他带领团队进行的长达数年的沉浸式“冒险”探索之中。

原本，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。