在爱因斯坦研究其量子理论而获得诺贝尔奖一个世纪后，光电发射已经发展成为探测材料化学和电子特性的首选方法。目前研究的重点主要集中在光电子的分析上。相比之下，二次光电子的光谱结构，受到物理学和材料科学界的关注要少得多。光电阴极是一种利用光电效应将光子转化为电子的材料，是许多依赖于光探测或电子束产生的现代技术的关键基础。然而，目前存在的光电阴极是基于传统的金属和半导体，这些金属和半导体大多是60年前发现的，具有良好的理论基础。这一成熟领域的进展仅限于基于复杂材料工程的光电阴极性能的改进。
近日，西湖大学何睿华博士与美国东北大学Arun Bansil教授联合报道了通过简单真空退火制备的SrTiO3（100）单晶2×1重构表面的不同寻常的光电发射特性，这超出了现有的理论框架。与其他正电子亲和（PEA）光电阴极不同，PEA SrTiO3表面在室温下产生离散的二次光电发射谱，这是高效负电子亲和光电阴极材料的特征。在低温下，光电发射峰显著增强，在非阈值激发时获得的电子束显示出纵向和横向相干性，这至少打破了已知记录的数量级。在二次光电发射谱（SPS）中观察到的相干性的出现，表明当前理论光电发射框架上的一种潜在新过程。因此，SrTiO3是一类全新的光电阴极量子材料的首个例子，为需要强相干电子束而不需要单色激发、电子滤波或束加速的应用开辟了新的前景。相关研究成果以题为“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”发表在知名期刊Nature上。
SrTiO3重构表面产生异常的具有本征相干性的初始电子束。
图1 室温下hv=21.2 eV时，SPS的TA依赖性演变 © 2023 Springer Nature
图2 TA=1100 ℃时，实验测得的二次光发射光谱SPS的TA相关演变 © 2023 Springer Nature
图3 当TA=1100 ℃时，在5 K温度下测得的二次光发射光谱SPS特性 © 2023 Springer Nature
综上，本研究提出了一种角度分辨光电发射光谱（ARPES）研究，重点研究了SrTiO3的2×1重构表面发射的近阈值次级光电子，发现了与所有现有的光阴极材料不同的特性，超出了现有的理论框架。本研究打开了以单晶量子材料为特征的光电阴极研究的未知领域的大门，确定SrTiO3中潜在的新过程的精确性质，有望解开新的物理学，补充目前的光电发射理论框架。
原文详情：Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide (Nature 2023, DOI: 10.1038/s41586-023-05900-4)
本文由大兵哥供稿。
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