开发出了一种新技术，可以高分辨率地绘制材料的完整电子带结构图

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麻省理工学院物理学家开发的一项新技术，可以高分辨率地绘制材料的完整电子带结构图。这种能力通常是大型同步加速器设施所独有的，但现在它在麻省理工学院作为基于桌面激光的设置可用。这种技术使用极端紫外(XUV)激光脉冲通过角分辨光电发射光谱(ARPES)测量电子的动力学，称为时间分辨XUV ARPES。与基于同步加速器装置不同，这种基于激光的装置进一步提供了时间分辨功能，以四亿分之一秒的时间尺度，观测材料内部的电子。

在时间和距离尺度上比较这种快速技术，虽然光可以在大约一秒从月球传播到地球，但它只能在一飞秒（四亿分之一秒）内传播到一张普通复印纸的厚度。麻省理工学院研究团队使用四种代表宽谱量子材料的示范性材料，评估了仪器分辨率：拓扑Weyl半金属、高临界温度超导体、层状半导体和电荷密度波系统。麻省理工学院物理学家Edbert Jarvis Sie博士在《自然通讯》上发表这种技术成果及其应用。现代凝聚态物理的一个中心目标是发现新物质相，并对新物质相内在量子性质施加控制。

这种行为源于电子能量随不同材料内部动量的变化而变化。这种关系被称为材料的电子能带结构，并且可以使用光电发射光谱来测量。这种技术使用具有高光子能量的光将电子从材料表面击落，这一过程以前被称为光电效应。输出电子的速度和方向可以用角分辨测量，以确定材料内部的能量和动量关系，这些材料中电子之间的集体相互作用经常超出预测。研究这种非常规相互作用的一种方法是将电子提升到更高能级，并观察它们如何从激发态回到基态。这就是所谓的“泵浦-探测”方法。

这基本上与人们在日常生活中用来感知周围新事物的方法相同。例如，任何人都可以在水面上扔一块鹅卵石，观察涟漪是如何衰减的，以观察水的表面张力和声学。这个装置的不同之处在于，研究人员使用红外光脉冲将电子“泵浦”到激发状态，并使用XUV光脉冲在一段时间延迟后“探测”光电发射的电子。时间和角分辨光电子能谱(TrARPES)以飞秒时间分辨率捕获固体的电子带结构影像。这项技术提供了对电子动力学的宝贵见解，这对于理解材料的性质至关重要。

然而，通过基于激光ARPES很难获得具有窄能量分辨率的高动量电子，这严重限制了可以用这种技术研究的现象类型。麻省理工学院新开发的XUV trARPES装置大约10英尺长，可以产生高能量分辨率的飞秒极端紫外线光源，XUV很快会被空气吸收，所以将光学元件放置在真空中。从光源到样品室的每个部件都以毫米精度投影到计算机图纸上。这种技术能够在飞秒时间尺度上以前所未有的窄能量分辨率完全探测所有材料的电子带结构。为了演示装置的分辨率，仅测量光源分辨率是不够的。

所以必须使用广泛的材料，从真实的光电发射测量中验证分辨率，其结果非常令人满意！装置最终组装包括几个正在同时在行业中开发的新兴仪器：KMLabs的飞秒XUV光源(XUUS)，McPherson的XUV单色器(OP-XCT)，以及Scienta Omicron的角分辨飞行时间(Artof)电子分析器。这种技术有潜力推动凝聚态物理学的边界。该装置可以精确测量高动量电子的能量。飞秒时间电子分析器和XUV飞秒光源的组合能够测量几乎所有材料的完整电子结构。另一个重大进步是改变光子能量的能力，光电发射强度经常随着实验中使用的光子能量而显著变化。

这是因为光电发射截面取决于形成固体的元素的轨道特征。该装置提供的光子能量可调谐性对于增强特定波段的光电发射计数非常有用。任何量子材料、拓扑绝缘体或超导问题都得益于了解非平衡状态下的能带结构，通过检测光电发射电子的发射角和能量，可以记录电子能带结构。在用光激发样品后，可以记录电子能带结构的变化，这些变化提供了“电子影像”，这些影像是以其飞秒时间尺度的帧速率拍摄。这些成就将使人们能够对具有足够高能量分辨率的量子材料，进行长期需要的高分辨率研究，从而提供深刻的见解。