世界首例！ 西湖大學實驗室發現首個光陰極量子材料

西湖大學實驗室發現首個光陰極量子材料。圖爲攝影師鏡頭下，首例具有本徵相干性的光陰極量子材料：鈦酸鍶。（觀察者網）

觀察者網10日報導，大陸微信公衆號「西湖大學WestlakeUniversity」9日消息，近期西湖大學理學院何睿華課題組連同研究合作者一起，發現了世界首例具有本徵相干性的光陰極量子材料，其性能遠超傳統的光陰極材料，且無法爲現有理論所解釋，爲光陰極研發、應用與基礎理論發展打開了新的天地。

相關論文〈Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide〉3月8日已提前線上發表於《自然》（Nature）期刊。西湖大學博士研究生洪彩雲、鄒文俊和冉鵬旭爲共同第一作者，西湖大學理學院長聘副教授何睿華爲通訊作者。全部實驗和理論工作都在西湖大學完成。

1887年，德國物理學家赫茲在實驗中意外發現，紫外線照射到金屬表面電極上會產生火花。1905年，愛因斯坦基於光的量子化猜想，提出了對該現象的理論解釋。這標誌着量子力學大門的正式開啓，因爲這個貢獻，愛因斯坦於1921年被授予諾貝爾物理學獎。由此，將「光」轉化爲「電」的「光電效應」，以及能夠產生這個效應的「光陰極」材料，正式進入了人類的視野。

報導稱，科學探索常常在意外中觸碰出新的火花。何睿華團隊在「常見」的材料上獲得新的發現，歸功於一種強大的、但很少被應用於光陰極研究的實驗手段：角分辨光電子能譜技術。

以往，由於大部分具有較高性能的傳統光陰極材料其表面具有多晶或非晶結構，光陰極領域的主流研究方法依賴的主要是光電流探測，這個135年前已開始使用的實驗手段。這也使得一大類新近發展出來的研究單晶量子材料的實驗利器無用武之地，其中包括角分辨光電子能譜技術。

究其本質，角分辨光電子能譜技術這個技術的工作原理，就是光電效應。它被用於探測材料的電子結構，即瞭解電子如何在材料裡運動。在過去的幾十年裡，角分辨光電子能譜技術主要用於研究跟材料的光學、電學和熱學性質相關的那部分電子結構。受這種強烈的科學關注的驅使，現有大多數實驗設施針對相關能量區域內的電子結構測量進行了相應的配置和優化。

誰能想到，這個運用了光電效應原理的技術，竟然能「以子之矛，攻子之盾」，挖掘出光電效應中新的物理——在實驗中，西湖大學何睿華團隊使用了這個源自光電效應的量子材料研究利器，出乎意料地捕捉到了單晶量子材料的獨特光電發射特性。

通過對角分辨光電子能譜儀進行「非常規」配置，以實現對非常規能量區域內、與光電效應相關的電子結構測量，他們發現鈦酸鍶優越的光陰極性能來自於其獨特的光電發射性質，而這些性質明顯不同於所有已知的光陰極材料。可以說，它們幾乎在每個主要方面都超出了已有光電發射理論的預期。