因?yàn)楣鈭稣T導(dǎo)的自由電子加速，基于金屬針尖的激光驅(qū)動(dòng)電子源，通常受制于能量擴(kuò)散和脈沖寬度之間折中，這使得超越當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，極具有挑戰(zhàn)性。

　　國家納米科學(xué)中心、上海交通大學(xué)、國防科技大學(xué)、南京大學(xué)等機(jī)構(gòu)成功研發(fā)出了一種基于碳納米管的新型超快電子源，其發(fā)出的電子束能量異常集中且時(shí)間極短，可實(shí)現(xiàn) 0.3 電子伏特(eV)能量展寬和 13 飛秒(fs)電子脈沖(1 飛秒 = 千萬億分之一秒)。

　　

 

　　這項(xiàng)成果突破了傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，為構(gòu)建具備飛秒級時(shí)間分辨和原子級空間分辨的超快電子顯微鏡奠定了基礎(chǔ)，已于 7 月 2 日發(fā)表在《自然?材料》上(IT之家附 DOI:10.1038/s41563-025-02279-7)。

　　科研人員提出了基于一維碳納米管的新型延遲發(fā)射機(jī)制。在使用7 fs激光脈沖照射碳納米管的實(shí)驗(yàn)中，觀察到電子在激光脈沖結(jié)束后延遲數(shù)十飛秒才發(fā)射，成功避免了光場直接加速的影響。

　　

 

　　▲7 飛秒激光驅(qū)動(dòng)的單色發(fā)射

　　該延遲發(fā)射導(dǎo)致約 0.3eV 顯著降低的能量擴(kuò)散和約 13fs 的電子脈沖寬度。通過含時(shí)密度泛函理論計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)了延遲發(fā)射是由集體振蕩和電子-電子相互作用驅(qū)動(dòng)的。

　　

 

　　▲發(fā)射尖端上的電子信號(hào)采樣

　　“更關(guān)鍵的是，我們發(fā)現(xiàn)并利用了碳納米管特有的‘延遲發(fā)射’機(jī)制。模擬研究表明，激光照射后，碳納米管尖端的電子會(huì)先發(fā)生集體‘振蕩’，并因電子間的相互作用，并非立刻而是稍晚一點(diǎn)才發(fā)射出來。”論文共同通訊作者、國家納米科學(xué)中心研究員李馳說，這個(gè)過程就像蓄力后再精準(zhǔn)發(fā)射，顯著減少了激光強(qiáng)場直接加速造成的能量分散問題。

　　

 

　　▲放電時(shí)間的測量

　　戴慶表示，這項(xiàng)研究未來將助力科學(xué)家“看清”超薄材料中粒子的瞬時(shí)變化，加速新材料與納米器件研發(fā)。