怀柔科学城轻元素量子材料交叉平台又出新成果，高稳定光纤集成石墨烯超快电子源研制成功

健康生活 2025年07月27日 22:38 1 admin

日前，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉团队，依托怀柔科学城轻元素量子材料交叉平台支持，创新性利用石墨烯超快热电子发射机理，研制出高稳定光纤集成石墨烯超快电子源。电子源具有低噪声、长寿命、近常压等特点，为提高时空分辨真空电子仪器的稳定性提供了突破性解决方案，有望推动下一代高精度、近常压、原位时空分辨探测技术变革性进展。

2025年7月，该项研究成果以“高稳定光纤集成石墨烯超快电子源”（Stable ultrafast graphene hot-electron source on optical fiber）为题，发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

轻元素量子材料交叉平台

超快电子显微系统同时具备超快时间分辨和超高空间分辨能力，是直接观测微观超快过程的利器。超快电子源作为其核心部件，直接决定了设备的探测性能。传统超快电子源利用透镜聚焦深紫外/高功率脉冲光至光电阴极，产生脉冲电子束。然而，深紫外/高功率脉冲光容易损伤阴极材料，透镜机械聚焦部件容易受环境振动等干扰，导致超快电子源噪声大（>±3%），连续工作时间短（通常4-6小时），严重限制了超快电子探测技术的实际应用。如何开发低噪声、长寿命的稳定超快电子源，是超快电子显微领域的重大挑战。

研究团队创新提出了光纤集成石墨烯超快电子源，通过将石墨烯集成在光纤端面，利用石墨烯 “冷晶格、热电子”稳定电子发射特性和光纤单模激光稳定激发结构，研发出了高稳定超快电子源。该电子源可实现超短电子脉冲（~80 fs脉宽）、卓越稳定性（波动≤±0.5%）、超长寿命（工作500小时束流减小10%）以及高环境适应性（可在100 Pa近常压下工作），核心参数相较传统超快电子源提高1-2个量级。同时，光纤型电子源易于集成，已成功应用于商用电子显微镜。这种基于光纤集成石墨烯架构的超快电子源为时空分辨真空电子仪器的稳定性提供突破性解决方案，有望推动下一代高精度、近常压、原位时空分辨探测技术变革性进展。