碳纳米管电子源实现0.3电子伏特超窄能散与飞秒级延时发射的突破

传统金属尖端激光电子源受限于能散与脉宽的权衡，难以突破1 eV能散和数百飞秒脉宽的瓶颈。研究人员通过7飞秒激光泵浦-探测技术，在碳纳米管电子源中观察到延时发射现象，获得0.3 eV超窄能散和13飞秒脉宽的电子脉冲。时间依赖密度泛函理论揭示其机制源于集体振荡与电子间相互作用，为超快电子源技术开辟新路径。

　　

传统金属尖端激光驱动电子源（metal-tip-based electron sources）长期受困于能量分布（energy spread）与脉冲宽度（pulse width）的此消彼长，现有技术难以突破1 eV能散和数百飞秒脉宽的双重限制。这项研究展示了一种基于一维碳纳米管（carbon-nanotube）的奇特延时发射现象：当7飞秒（7-fs）超短激光脉冲作用于碳纳米管发射体时，自由电子竟在激光脉冲结束后数十飞秒才"姗姗来迟"。这种"慢半拍"的发射行为带来了惊人的性能提升——电子能量分布骤降至0.3电子伏特（0.3 eV），同时脉冲宽度压缩至13飞秒（13 fs）量级。

通过时间依赖密度泛函理论（time-dependent density functional theory, TDDFT）计算，研究者揭开了延时发射的量子力学面纱：碳纳米管中电子集体跳起"量子广场舞"（collective oscillations），在电子间相互作用（electron-electron interactions）的复杂编排下，最终形成了这场精妙的延时发射表演。这项突破不仅刷新了超快电子源（ultrafast electron sources）的性能纪录，更如同为量子世界安装了一个可精确调控的"电子快门"，有望推动超快电子显微镜（ultrafast electron microscopy）和量子器件等领域的跨越式发展。