“算”出来的新材料 提升真空电子技术威力

材料牛注：众所周知，在现代仪器分析领域中，微波分析仪和x射线仪的应用是十分广泛的，这些仪器主要依靠其中的电子束进行工作，但是十几年来对这些仪器的研发并没有很大的提升。最近，Wisconsin-Madison大学的科学家利用计算机技术找到一种新材料，它可以极大的提升仪器的性能。

这种新材料是钙钛矿物中的一类，可以作用于电子束并提高其输出功率，从而降低目前远程通讯和遥感技术的成本。在这种材料发现之前，UW-Madison的科学家们研究的方向是使用材料吸收电子束在真空中穿过的能量，又被称为真空电子技术。真空电子技术有着广泛的应用，从研究粒子加速器中的粒子状态到使用雷达探测遥远的冥王星都可以做到。“无论何时想从一个电子束中提取能量，真空电子技术都是绝佳的选择”UW-Madison的教授John Booske表示到，John Booske教授是这个项目的主要负责人，同时，他解释说：“因为电子束穿过真空时是基本不存在阻力的，所以真空电子技术具有很好的使用前景。例如，使用这项技术在微波分析仪中加热离子束耗能仅为之前的百分之九十”。

在实际研究中，能激发这些电子束的一级通常叫做阴极。大多数的阴极都是通过高温加热金属表面从而激发电子的。这些电子达到一定数目就成为了电子束。激发的最低温度一般为1000摄氏度。目前，绝大多数的真空电子设备通过加热钨丝达到高温从而产生电子束，这种原理类似于白炽灯的发光原理。在这种发光过程中，我们熟悉的辉光意味着电子束的能量损失，因此钨这种元素通常作为阴极来吸收激发出的电子。其中，会在钨的表面涂上氧化钡层，而氧化钡并不稳定，常常会随着时间蒸发掉，因此寻找材料的问题变得十分重要。

近几十年来，尽管出现了一些阴极替代材料，但事实证明这些材料还不够完善。并且实验中出现的材料的各种缺陷让科学家感到头痛，而要想从元素周期表的元素中组合出优良的材料，无异于大海捞针。

幸运的是Booske、Morgan和他们的学生已经成功的找到了这样一根针。“使用目前较为成熟的计算机技术，我们已经发现了一种材料，通过实验探究，第一次发现比原来的阴极材料拥有更好的前景”Booske说道。

而这次发现和计算机的利用密不可分，研究人员结合密度泛函理论作为理论模型分析的方法，解决了控制材料原子性质的量子力学方程组的问题。同时，在材料研究领域处于领先地位的高通公司进而从求解结果中研发了新型的材料。“使用计算对多种化合物的性质进行分析，并借助材料数据和钙钛矿进行比对。通过这种方法选择合理的参数的进行计算，我们进而有了新的发现。”Booske展示了他们的研究思路。

“虽然我们对最初的成功感到兴奋，但这次研究的结果只是冰山的一角，我们目前已经可以通过超级计算机和信息系统将成千上万种材料展示出来，并快速进行分析。而像UW-Madison大学这种计算材料设计方法，是目前材料研发的一个新的方向。研究人员目前的研究方向是通过获取大量的纯态材料，并进行其相应的表征性能。为下一步计算材料的发展做好基础。”Morgan教授表示。

原文链接：New material, picked by computers, could boost power of vacuum electronics

感谢材料人编辑部王宇提供素材