麻省理工學(xué)院物理學(xué)家開發(fā)的一項新技術(shù)，可以高分辨率地繪制材料的完整電子帶結(jié)構(gòu)圖。這種能力通常是大型同步加速器設(shè)施所獨有的，但現(xiàn)在它在麻省理工學(xué)院作為基于桌面激光的設(shè)置可用。

這種技術(shù)使用極端紫外(XUV)激光脈沖通過角分辨光電發(fā)射光譜(ARPES)測量電子的動力學(xué)，稱為時間分辨XUV ARPES。與基于同步加速器裝置不同，這種基于激光的裝置進(jìn)一步提供了時間分辨功能，以四億分之一秒的時間尺度，觀測材料內(nèi)部的電子。

在時間和距離尺度上比較這種快速技術(shù)，雖然光可以在大約一秒從月球傳播到地球，但它只能在一飛秒（四億分之一秒）內(nèi)傳播到一張普通復(fù)印紙的厚度。麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊使用四種代表寬譜量子材料的示范性材料，評估了儀器分辨率：拓?fù)鋀eyl半金屬、高臨界溫度超導(dǎo)體、層狀半導(dǎo)體和電荷密度波系統(tǒng)。麻省理工學(xué)院物理學(xué)家Edbert Jarvis Sie博士在《自然通訊》上發(fā)表這種技術(shù)成果及其應(yīng)用?，F(xiàn)代凝聚態(tài)物理的一個中心目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)相，并對新物質(zhì)相內(nèi)在量子性質(zhì)施加控制。

這種行為源于電子能量隨不同材料內(nèi)部動量的變化而變化。這種關(guān)系被稱為材料的電子能帶結(jié)構(gòu)，并且可以使用光電發(fā)射光譜來測量。這種技術(shù)使用具有高光子能量的光將電子從材料表面擊落，這一過程以前被稱為光電效應(yīng)。輸出電子的速度和方向可以用角分辨測量，以確定材料內(nèi)部的能量和動量關(guān)系，這些材料中電子之間的集體相互作用經(jīng)常超出預(yù)測。研究這種非常規(guī)相互作用的一種方法是將電子提升到更高能級，并觀察它們?nèi)绾螐募ぐl(fā)態(tài)回到基態(tài)。這就是所謂的“泵浦-探測”方法。

這基本上與人們在日常生活中用來感知周圍新事物的方法相同。例如，任何人都可以在水面上扔一塊鵝卵石，觀察漣漪是如何衰減的，以觀察水的表面張力和聲學(xué)。這個裝置的不同之處在于，研究人員使用紅外光脈沖將電子“泵浦”到激發(fā)狀態(tài)，并使用XUV光脈沖在一段時間延遲后“探測”光電發(fā)射的電子。時間和角分辨光電子能譜(TrARPES)以飛秒時間分辨率捕獲固體的電子帶結(jié)構(gòu)影像。這項技術(shù)提供了對電子動力學(xué)的寶貴見解，這對于理解材料的性質(zhì)至關(guān)重要。

然而，通過基于激光ARPES很難獲得具有窄能量分辨率的高動量電子，這嚴(yán)重限制了可以用這種技術(shù)研究的現(xiàn)象類型。麻省理工學(xué)院新開發(fā)的XUV trARPES裝置大約10英尺長，可以產(chǎn)生高能量分辨率的飛秒極端紫外線光源，XUV很快會被空氣吸收，所以將光學(xué)元件放置在真空中。從光源到樣品室的每個部件都以毫米精度投影到計算機(jī)圖紙上。這種技術(shù)能夠在飛秒時間尺度上以前所未有的窄能量分辨率完全探測所有材料的電子帶結(jié)構(gòu)。為了演示裝置的分辨率，僅測量光源分辨率是不夠的。

所以必須使用廣泛的材料，從真實的光電發(fā)射測量中驗證分辨率，其結(jié)果非常令人滿意！裝置最終組裝包括幾個正在同時在行業(yè)中開發(fā)的新興儀器：KMLabs的飛秒XUV光源(XUUS)，McPherson的XUV單色器(OP-XCT)，以及Scienta Omicron的角分辨飛行時間(Artof)電子分析器。這種技術(shù)有潛力推動凝聚態(tài)物理學(xué)的邊界。該裝置可以精確測量高動量電子的能量。飛秒時間電子分析器和XUV飛秒光源的組合能夠測量幾乎所有材料的完整電子結(jié)構(gòu)。另一個重大進(jìn)步是改變光子能量的能力，光電發(fā)射強(qiáng)度經(jīng)常隨著實驗中使用的光子能量而顯著變化。

這是因為光電發(fā)射截面取決于形成固體的元素的軌道特征。該裝置提供的光子能量可調(diào)諧性對于增強(qiáng)特定波段的光電發(fā)射計數(shù)非常有用。任何量子材料、拓?fù)浣^緣體或超導(dǎo)問題都得益于了解非平衡狀態(tài)下的能帶結(jié)構(gòu)，通過檢測光電發(fā)射電子的發(fā)射角和能量，可以記錄電子能帶結(jié)構(gòu)。在用光激發(fā)樣品后，可以記錄電子能帶結(jié)構(gòu)的變化，這些變化提供了“電子影像”，這些影像是以其飛秒時間尺度的幀速率拍攝。這些成就將使人們能夠?qū)哂凶銐蚋吣芰糠直媛实牧孔硬牧?，進(jìn)行長期需要的高分辨率研究，從而提供深刻的見解。

博科園｜研究/來自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-11492-3

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