“算”出來的新材料 提升真空電子技術威力

材料牛注：眾所周知，在現代儀器分析領域中，微波分析儀和x射線儀的應用是十分廣泛的，這些儀器主要依靠其中的電子束進行工作，但是十幾年來對這些儀器的研發并沒有很大的提升。最近，Wisconsin-Madison大學的科學家利用計算機技術找到一種新材料，它可以極大的提升儀器的性能。

這種新材料是鈣鈦礦物中的一類，可以作用于電子束并提高其輸出功率，從而降低目前遠程通訊和遙感技術的成本。在這種材料發現之前，UW-Madison的科學家們研究的方向是使用材料吸收電子束在真空中穿過的能量，又被稱為真空電子技術。真空電子技術有著廣泛的應用，從研究粒子加速器中的粒子狀態到使用雷達探測遙遠的冥王星都可以做到。“無論何時想從一個電子束中提取能量，真空電子技術都是絕佳的選擇”UW-Madison的教授John Booske表示到，John Booske教授是這個項目的主要負責人，同時，他解釋說：“因為電子束穿過真空時是基本不存在阻力的，所以真空電子技術具有很好的使用前景。例如，使用這項技術在微波分析儀中加熱離子束耗能僅為之前的百分之九十”。

在實際研究中，能激發這些電子束的一級通常叫做陰極。大多數的陰極都是通過高溫加熱金屬表面從而激發電子的。這些電子達到一定數目就成為了電子束。激發的最低溫度一般為1000攝氏度。目前，絕大多數的真空電子設備通過加熱鎢絲達到高溫從而產生電子束，這種原理類似于白熾燈的發光原理。在這種發光過程中，我們熟悉的輝光意味著電子束的能量損失，因此鎢這種元素通常作為陰極來吸收激發出的電子。其中，會在鎢的表面涂上氧化鋇層，而氧化鋇并不穩定，常常會隨著時間蒸發掉，因此尋找材料的問題變得十分重要。

近幾十年來，盡管出現了一些陰極替代材料，但事實證明這些材料還不夠完善。并且實驗中出現的材料的各種缺陷讓科學家感到頭痛，而要想從元素周期表的元素中組合出優良的材料，無異于大海撈針。

幸運的是Booske、Morgan和他們的學生已經成功的找到了這樣一根針。“使用目前較為成熟的計算機技術，我們已經發現了一種材料，通過實驗探究，第一次發現比原來的陰極材料擁有更好的前景”Booske說道。

而這次發現和計算機的利用密不可分，研究人員結合密度泛函理論作為理論模型分析的方法，解決了控制材料原子性質的量子力學方程組的問題。同時，在材料研究領域處于領先地位的高通公司進而從求解結果中研發了新型的材料。“使用計算對多種化合物的性質進行分析，并借助材料數據和鈣鈦礦進行比對。通過這種方法選擇合理的參數的進行計算，我們進而有了新的發現。”Booske展示了他們的研究思路。

“雖然我們對最初的成功感到興奮，但這次研究的結果只是冰山的一角，我們目前已經可以通過超級計算機和信息系統將成千上萬種材料展示出來，并快速進行分析。而像UW-Madison大學這種計算材料設計方法，是目前材料研發的一個新的方向。研究人員目前的研究方向是通過獲取大量的純態材料，并進行其相應的表征性能。為下一步計算材料的發展做好基礎。”Morgan教授表示。

原文鏈接：New material, picked by computers, could boost power of vacuum electronics

感謝材料人編輯部王宇提供素材