新型超导铌针尖电子源 | 应用物理前沿推介系列No.38

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本期推介

新型超导铌针尖电子源

随着电子显微镜、光谱学、量子电子学以及电子波函数工程学等领域中新型仪器的兴起，人们对相干电子束源的需求日益增长。最近新型电子场发射源的研制取得了显著的进展：如激光触发，具有单原子顶点，或由LaB₆纳米线构成的场发射源。研制新型场发射源的关键目标是通过把高亮度电子源与窄能量分布发射电子源结合，以产生强纵波和横波相干性。这种新型电子源使得电子相位调制、光束导引、干涉测量、量子退相干测量、新型显微镜衍射模式、量子传感甚至安全信息传输等新技术成为可能，且在超导扫描隧道显微镜、量子电子显微镜和扫描约瑟夫森光谱学等方向起关键应用。根据Fowler-Nordheim（FN）电子隧穿理论，电子束的能量分布会随着场发射温度的降低而变窄，但在室温下这种影响通常忽略不计。一般的“冷“场发射电子源（室温下）的能量宽度为200 meV左右。而现有商用的肖特基场发射电子源的能量分布宽度通常为750 meV左右，这种宽的能量分布极大地限制了现代电子显微镜中所使用的能量分析方法，比如高分辨率震动谱学，或者低能电子显微镜等表面敏感的成像技术。虽然通过使用单色仪可将电子源的能量分布宽度缩减至9 meV，但与此同时也将消除大部分电子束流，使得样品测量时间显著增加并且可能导致样品不稳定。现代电子光学需要一种稳定、明亮、相干且能量分布窄的电子发射源。

图1 . （a）- (c）不同放大倍率下单晶铌（Nb）针尖的扫描电子显微镜图像。（d）铌针尖上半径为1.5 nm的纳米突起的示意图。（e）延迟线探测器测得的角度分布图。（f）场发射测量构型的示意图。（g）铌针尖的电阻-温度变化曲线。

来自美国劳伦斯伯克利国家实验室的Cameron W. Johnson等人利用低温下（5.9开尔文）的单晶铌 （超导温度为9.3开尔文）纳米针尖实现了具有极窄能量分布、高电子束流的场发射电子源[1]。通过在针尖表面离子束刻蚀出纳米突起（nanoprotrusion, NP）（图1(a)-(c)），从而在顶端形成了局域的量子带态。由于曲率半径较小的NP顶端附近电场增强，这种纳米突起发射（nanoprotrusion emission, NPE）具有 3.2° 的自聚焦发射角（图1(d)-(f)）。他们通过改变发射器处的电场来调控NPE总能量分布谱峰的中心相对于费米能级的位置并且截断尖锐的低温费米边（图2（a）），最终诱导出了半峰宽低至16meV的极窄能量分布的电子束（图2（c））。这是首个在超导温度下表征的单晶铌针尖，也是目前报道的能量分布最窄的电子场发射源。该电子源的能量分布宽度比市面上当前最好的电子源的能量分布宽度还要窄10到20倍，这将引起电子显微镜学和光谱学的范式转变。利用该电子源可使电子能量损失谱的分辨率小于2.5 meV，并且可以极大降低色差的影响。

图2.（a）NP在库仑势垒中的共振态示意图。（b）观测到最窄的能量分布为16 meV。（c）不同针尖电压下的能量谱线。（d）不同针尖电压下NP发射电流的实验数值与FN理论预测数值。

此外该工作还利用法拉第杯和延迟线检测器分别测量了束流的角度分布（图1(e)）和NPE总电流（图2(e)）。在对NP针尖施加了的电压下，得到了能量分布半峰宽为69 meV，总电流为4.1 nA的电子源，其角度分布为。根据推算，该电子源的亮度为B_r = (3.8±2.1)*10⁸ A/(m² sr V)，比使用单色仪得到的同等能量分布宽度的商用电子源亮度高了两个数量级。若将该电子源与单色仪相结合，则可以得到大小为400 pA和能量分布半峰宽8 meV或者大小为100 pA和能量分布半峰宽为2.5 meV的束流。

图3. (a）随着氙（Xe）吸附量的上升，电子源的束流强度也在上升。（b）吸附氙和未吸附氙的铌针尖电子源的能量分布

他们进一步还发现在低温条件下，将氙气通入铌针尖场发射电子源所在的腔体时，可显著增加铌针尖场发射电子源的发射电流（图3(a)）[2]，这是由于当氙原子吸附在铌针尖表面会降低铌针尖表面的有效功函数。他们测量了不同的氙吸附量下场发射全电流计数率，结果表明在通入14 Langmiur (1 Langmiur = 10^-6 Torr s)的氙气后，电子源的计数率增加了116倍，且测量到的电子束能量分布并未发生明显变化（图3(b)）。

该项研究工作中制得的超导单晶铌电子源的近单色场发射是高度相干的，电子源的纵向相干长度与能量分布宽度成反比，横向相干性是由虚拟源尺寸较小导致的，这对于电子物质波性质的在量子方面的应用尤其重要。该铌电子源还可与单色器结合使用，从而实现毫电子伏特甚至亚毫电子伏特级别的极窄电子束能量分布，且能保持可应用在显微镜上的合理束流强度。基于铌针尖的高亮度自由电子源具有数十毫电子伏特量级的原生能量线宽，可为所有电子显微镜带来大量潜在的好处并将开辟多个领域：如包括振动模式的直接成像在内的高分辨率电子能量损失谱、半导体带隙或缺陷分析，以及金属纳米颗粒、太阳能电池或有机材料中的低损耗结构。场发射电子源能量分布宽度的缩小也会降低色差，尤其是在低电压扫描电子显微镜中，可以将其空间分辨率提高到亚纳米范围。

程致远，牛恒   南京大学物理学院在读博士研究生。

陈宫  南京大学物理学院教授，博士生导师。主要研究方向为拓扑磁结构，利用自旋极化低能电子显微镜对三维磁结构原位成像，包括手性磁结构，磁斯格明子，Dzyaloshinskii-Moriya相互作用等的表征和机理研究。

[1] Johnson, C.W., et al, Near-Monochromatic Tuneable Cryogenic Niobium Electron Field Emitter. Physical Review Letters, 2022. 129(24).

[2] Johnson, C.W., et al, Electron-Beam Source with a Superconducting Niobium Tip. Physical Review Applied, 2023. 19(3): p. 034036.

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为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

设计：陈   龙

排版：陈   龙

美编：张   悦

主编/组稿：吴义政

副主编：杨海涛

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