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图 普通光阴极材料（a）和光阴极量子材料SrTiO3（b）所发射的初始电子束的区别
在国家自然科学基金项目（批准号：12274353、11874053）等资助下，西湖大学理学院何睿华教授团队发现了首例具有本征相干性的光阴极量子材料，其性能远超目前已知的所有光阴极材料，突破了现有理论框架，为下一代光阴极的基础理论、研发与应用奠定了基础。研究成果以“一种钙钛矿氧化物的反常高强度相干二次光电子发射（Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide）”为题，于2023年5月18日在《自然》（Nature）期刊正式发表。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05900-4。
光阴极是一种能够利用光电效应将入射光子转化为出射电子的电极。它是当代粒子加速器、自由电子激光、高分辨超快电子显微镜等前沿技术的核心元件。早在六十多年前，大部分现有的光阴极材料（传统金属或半导体）已经被发现，它们的光电性能也可以被当时已建立的光电发射理论完美解释。长久以来，光阴极领域的发展缓慢，科学家们主要依靠材料工程技术来改善基于既有材料所制作的光阴极的性能。然而，这些光阴极所产生的电子束都存在着“相干性”差（电子发射的方向不一致和能量不均一）的内秉缺陷，由此要获得尖端科技应用所需的高相干性电子束，就必须牺牲光阴极的发射效率。这个限制因素极大地制约了光阴极电子源亮度的提升空间，使之日益难以满足相关前沿技术升级换代的要求。因此，找到具有高相干性的新型光阴极材料将有助于打破当前的困局。
近年来，具有复杂多变的性质和丰富多样功能的量子材料已成为物理和材料领域的研究热点之一。然而，此前科学家们从未考虑过将这类新型材料应用于光阴极。在本工作中，何睿华教授团队突破了光阴极领域的常规研究对象（具有多晶表面的材料）和常规研究手段（光电流探测），采用角分辨光电子能谱（ARPES）技术探索了具有最简单结构的量子材料SrTiO3单晶的光阴极特性。与量子材料领域的常规ARPES测量不同，团队采用了非常规ARPES配置以测量光电子能谱中跟材料的光阴极性能相关的低动能区域。实验结果表明，具有2×1重构的SrTiO3单晶表面所发射的光电子束，其相干性远高于已知的光阴性材料。研究团队同时发现SrTiO3单晶表现出的优异光阴极性能来源于其表面奇特的光电发射机制——自发相干二次光电子发射，该特性不能被已知的光电发射理论所解释。
本工作不仅首次发现了一种具有本征相干性的新型光阴极材料，更为重要的是，它对未来探索性能优异的光阴极材料开辟了新视角，有望推动该领域研究范式的变革。此外，该发现本身也清楚地表明在目前光电发射理论框架之外可能存在一种未知的物理过程，有望增进人们对光电发射物理的理解，进一步完善其理论框架。