近日，上海交通大学戴庆教授、国家纳米科学中心李驰研究员团队联合南京理工大学、国防科技大学及南京大学的多单位合作，在碳纳米管超快电子源研究领域取得重要突破，相关研究成果发表在Nature Materials上。

传统的金属尖端激光驱动电子源受限于能量展宽与脉冲宽度之间的物理权衡，通常表现为能量展宽超过1 eV、脉冲宽度达数百飞秒，难以兼顾高时间和高空间分辨率。

在本项研究中，研究团队成功研制出基于一维碳纳米管的超快电子源，实现了低能散（约0.3 eV）和窄脉宽（约13飞秒）的电子发射，有效突破了传统超快电子源在能散与脉宽之间的瓶颈限制，为实现亚10飞秒时间分辨和原子级空间分辨的超快电子显微技术奠定了基础。

研究中，研究团队采用7飞秒的超短激光脉冲驱动碳纳米管，观测到其发射电子的能散低至0.3 eV，远优于传统金属尖端电子源。结合TDDFT模拟碳管电子发射过程的含时电荷密度分布，研究揭示了激光激发下碳纳米管尖端的电子集体振荡与电子-电子相互作用导致的延迟发射现象。该延迟发过程显著降低了因激光强场直接加速导致的能量展宽问题。

图1. 碳管延迟电子发射。a 碳纳米管超快电子发射示意图。b 碳管和钨针尖的电子能谱对比。c TDDFT模拟碳管电子发射过程的含时电荷密度分布。

在此基础上，研究团队进一步采用偏振垂直的双脉冲技术，精确测量了电子的延迟发射时间与脉冲宽度，结果显示电子的平均延迟时间约为60飞秒，脉冲宽度仅为13飞秒。

图2. 电子发射时间的测量。a 偏振垂直的双脉冲技术测试示意图。b 有轨迹偏转和无轨迹偏转情况下的碳管电子能谱。c 偏振垂直的双脉冲测试下，电子产额随延迟时间的变化关系。

这一成果为构建具备10飞秒时间分辨和原子级空间分辨的超快电子显微镜奠定了基础，未来有望在低维纳米材料中的准粒子动力学与电子过程研究中发挥重要作用，推动材料科学与纳米技术的进一步发展。