7 月 4 日消息，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)動的。

▲ 發(fā)射尖端上的電子信號采樣

“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變化，加速新材料與納米器件研發(fā)。