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光到底是什么，它是由什么构成的？这是一个可以追溯到古代的古老问题，也是科学家为了解现实的本质而进行的最重要的调查之一。

光是一种能量形式，当它从物体上反弹时，使我们能够看到这个世界，这个问题在科学界引起了激烈的辩论和讨论，以至于产生了一个全新的领域：量子力学。

在关于光的性质的辩论中，还有一个谜团。那就是，光的行为是像波，还是像粒子？当阿尔伯特-爱因斯坦在20世纪初提出光在本质上既是微粒（包含被称为光子的小颗粒）又是波状的时候，许多人对他的发现感到满意，即使稍有不安。

爱因斯坦通过他在所谓的光电效应方面的工作来支持他的新理论，这使他在1921年获得了诺贝尔物理学奖。光电效应是由海因里希-鲁道夫-赫兹于1887年首次发现的，它描述了当光照在一种材料上时导致电子被弹出的过程。

现在，光发射是研究人员用来探测材料的化学和电子特性的主要实验方法，它已经为一系列技术带来了实际应用，特别是那些依赖于光检测或电子束生成的技术，如医疗成像设备和半导体制造等。

但是东北大学的研究人员有了一个发现，它挑战了我们对光发射应该如何工作的认识，为重新理解光与材料的相互作用奠定了基础。

在3月8日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员观察到了他们所描述的一种特殊材料的 "不寻常的光发射特性"，这种材料是一对化学元素的氧化物，在半个多世纪前主要作为一种钻石模拟物而首次被广泛使用。

在实验中，研究人员将钛酸锶用作光阴极，或者说是一种能够通过光电效应将光转化为电子的工程表面。

光阴极也被用于光电探测器或感应装置，如光电倍增器；它们也被用于红外观察仪、条纹相机、图像增强器或图像放大器和图像转换器。

东北大学物理学杰出教授Arun Bansil说，钛酸锶作为一种潜在的候选光电阴极历来被忽视，他是这项研究的共同作者。

"Bansil说："这种材料有许多其他用途和应用。

Bansil说，使用10 eV（电子伏特）范围内的几种光子能量，研究人员能够产生一种 "非常强烈的相干二次光发射"，比以前看到的任何东西都强。

"这是一个大问题，因为在我们现有的对光发射的理解中，没有任何机制能够产生这样的效果，"Bansil说。"换句话说，我们目前没有任何理论，所以在这个意义上，这是一个奇迹般的突破。"

二次电子发射描述了这样一种现象，即被移出的一次电子在射出之前由于材料内部的碰撞而遭受了能量损失。

"当你激发电子时，其中一些电子实际上会从固体中出来，"Bansil说。"初级电子指的是那些没有散射的电子，而次级电子意味着它们在从固体中出来之前经历了碰撞。"

包括来自中国西湖大学、芬兰拉彭兰塔-拉赫蒂科技大学（LUT）和东北大学的科学家在内的研究小组说，这样的结果指出了尚未被理解的 "潜在的新过程"。

"研究人员写道："观察到的二次光发射中的相干性的出现指出了在目前的理论光发射框架所包含的那些过程之上的一个潜在的新过程的发展。

Bansil说，这些结果颠覆了科学家们认为他们对光发射过程的认识，为各行业的新应用打开了大门，这些应用将利用这些复杂的量子材料的力量。

"Bansil说："我们都认为我们理解了这里涉及的基本物理学，以至于应用的发展是根据某种理论和思想的范式。"就像自然界经常做的那样，这就是这篇论文给所有这些东西扔出一个曲线球的地方。"

 

更多信息

Caiyun Hong et al, Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05900-4

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