近日，我国研制第一台基于高重复频率、高通量高次谐波光源的超快角分辨光电子能谱仪。目前实验装置已经进入稳定运行阶段，实现了对拓扑绝缘体Bi2Se3未占据态和电荷密度波材料1T-TiSe2能带动力学演化过程的测量，填补了国内相关领域的空白，为未来研究量子材料中电子的超快动力学过程、未占据态以及新型电子态提供了关键的实验平台。

　　

　　量子材料是一个标签，以前被称为强关联电子体系的凝聚态物理领域。虽然这个领域很广泛，但一个统一的主题是发现和研究那些不能用当代凝聚态教科书的概念来理解的材料的电子性质。量子材料的分类很广泛，包括金属-绝缘体转变材料，磁电耦合材料，拓扑电子材料等。

　　

　　角分辨光电子能谱(简称ARPES)利用光电效应研究固体的电子结构。1887年由德国物理学家赫兹发现，一束光照射在样品表面，当入射光频率高于特定阈值(功函数)时，表面附近的电子会脱离样品，成为自由电子，这就是光电效应。在我们的ARPES实验中，采用稀有气体电离或者同步辐射作为光源。

　　

　　目前应用最广的分析器测量光电子数与其出射角(即电子动量)和出射动能的函数关系。利用动能守恒定律和动量守恒定律，我们可以计算出样品中电子的动能及动量。其中，能量守恒定率为：在这一过程中，系统的能量是守恒的：光电子的动能，材料的功函数以及电子的束缚能之和等于入射光子的能量。

　　

　　其中，?ω为入射光能量，Ekin为出射光电子动能，?为材料功函数(发生光电效应的最小光子能量)，EB为电子束缚能。我们的主要目的是得到样品中电子束缚能与电子动量的函数关系。

　　

　　垂直于样品表面方向上晶体平移对称性被破坏，导致在此方向上动量不再守恒。因此我们只能得到固体中的电子在平行于样品表面方向上动量分量。光子的动量很小，与电子动量相比可以忽略。所以，按照图中的几何关系，平行于样品表面方向的动量守恒定律可表示为：

　　

　　角分辨光电子谱通过测量不同出射角度的光电子的动能，就可以得到电子在固体中平行于样品表面的动量分量。其中P||为平行于样品表面的选定方向上的动量分量,k||为固体中电子的波矢,me为电子质量,Ekin为电子的动能,θ电子出射角度。

　　

　　将得到的能量与动量对应起来，就可以得到晶体中电子的色散关系。同时，ARPES也可以得到能态密度曲线和动量密度曲线，并直接给出固体的费米面。

　　

　　光电子能谱仪是利用光电效应测出光电子的动能及其数量的关系，由此来判断样品表面各种元素含量的仪器。可分析固、液、气样品中除氢以外的一切元素。光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电。光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特 效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

　　

　　光电子能谱仪主要用途:1.XPS测定 2.XPS成象 3.深度剖析 4.微区分析 5.角分辨XPS 可应用于各种固体材料表面(界面)的元素及化学态的定性、半定量、结构分析及化学键研究。光电子能谱利用光电效应的原理测量单色辐射从样品上打出来的光电子的动能(并由此测定其结合能)、光电子强度和这些电子的角分布，并应用这些信息来研究原子、分子、凝聚相，尤其是固体表面的电子结构的技术。对固体而言，光电子能谱是一项表面灵敏的技术。虽然入射光子能穿入固体的深部，但只有固体表面下20～30埃的一薄层中的光电子能逃逸出来(光子的非弹性散射平均自由程比电子的大10～10倍), 因此光电子反映的是固体表面的信息。

　　

　　光电子能谱主要用于表面分析，由激发源发出的具有一定能量的X射线，电子束，紫外光，离子束或中子束作用于样品表面时，可将样品表面原子中不同能级的电子激发出来，产生光电子或俄歇电子等。这些自由电子带有样品表面信息，并具有特征动能。通过能量分析器收集和研究它们的能量分布，经检测纪录电子信号强度与电子能量的关系曲线，此即为光电子能谱。

　　

　　新闻来源： 中国科学院物理研究所