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北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所俞大鵬院士、劉開輝教授、洪浩特聘副研究員，上海交通大學戴慶教授與合作者在超快電子源領域取得重要進展。研究團隊創新性地將石墨烯集成于單模光纖端面，利用石墨烯超快熱電子發射機理，成功研發出高穩定飛秒脈沖超快電子源。2025年7月，該項研究成果以“高穩定光纖集成石墨烯超快電子源”（Stable ultrafast graphene hot-electron source on optical fiber）為題，發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
超快電子顯微系統同時具備超快時間分辨和超高空間分辨能力，是直接觀測微觀超快過程的利器。超快電子源作為其核心部件，直接決定了設備的探測性能。傳統超快電子源利用透鏡聚焦深紫外/高功率脈沖光至光電陰極，產生脈沖電子束。然而，深紫外/高功率脈沖光容易損傷陰極材料，透鏡機械聚焦部件容易受環境振動等干擾，導致超快電子源噪聲大（>±3%），連續工作時間短（通常4-6小時），嚴重限制了超快電子探測技術的實際應用。如何開發低噪聲、長壽命的穩定超快電子源，是超快電子顯微領域的重大挑戰。
研究團隊創新提出了光纖集成石墨烯超快電子源，通過將石墨烯集成在光纖端面，利用石墨烯“冷晶格、熱電子”穩定電子發射特性和光纖單模激光穩定激發結構，研發出了高穩定超快電子源。該電子源可實現超短電子脈沖（~80 fs脈寬）、卓越穩定性（波動≤±0.5%）、超長壽命（工作500小時束流減小10%）以及高環境適應性（可在100 Pa近常壓下工作），核心參數相較傳統超快電子源提高1-2個量級。同時，光纖型電子源易于集成，已成功應用于商用電子顯微鏡。這種基于光纖集成石墨烯架構的超快電子源為時空分辨真空電子儀器的穩定性提供突破性解決方案，有望推動下一代高精度、近常壓、原位時空分辨探測技術變革性進展。
圖1光纖集成石墨烯高穩定超快電子源及電鏡集成
北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所姚光杰博士后、洪浩特聘副研究員、2022級博士研究生林凱風，華南師范大學周旭副研究員為論文共同第一作者；劉開輝、俞大鵬、戴慶與洪浩為論文共同通訊作者。
研究工作得到了國家重大科研儀器研制項目、國家重點研發計劃、騰訊基金會科學探索獎等相關項目及北京大學人工微結構和介觀物理全國重點實驗室、深圳國際量子研究院與北京大學輕元素量子材料交叉平臺等的大力支持。
論文原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60915-x
摘自《石墨烯研究》公眾號
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