科学前沿11国内首台高重频高通量高次谐波超快角分辨光电子能谱仪搭建完成并实现应用

　　角分辨光电子能谱仪（ARPES）因其具有能量和动量分辨能力，是探测材料能带结构的重要手段。随着超快激光技术的不断发展，结合泵浦-探测技术的超快角分辨光电子能谱仪（TR-ARPES）由于兼具时间分辨能力，可以用来探测非平衡态的电子能带信息，因此近年来备受人们的重视。特别是基于高次谐波产生（HHG）的TR-ARPES还具有光子能量高、光子能量可调谐的优点，使得其探测范围可以覆盖到大范围布里渊区，在电荷密度波（CDW）材料、过渡金属二硫化物（TMD）材料的超快动力学过程研究中具有重要的作用。
　　图 1：实验室设备全图
　　近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室丁洪研究组（EX7组）的博士生陈发民、潘默君、刘俊德在钱天研究员和运晨霞副主任工程师的指导下，研制成功国内首台 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（HHG-TRARPES），并通过了专家的现场测试（图1）。该仪器系统配备了六轴低温样品台，DA30半球分析器，极限真空优于10-10torr，最低温度小于6K，其光子能量连续可调（20-60eV），重复频率为0.4MHz。第18阶次光子（21.6eV）的能量分辨率为109meV，时间分辨率为120fs，样品位置处的光通量约为1011ph/s，综合参数达到世界同类型设备的一流水平。此外，全设备接入自主开发的控制系统，实现了集成化、智能化、便捷化操作，时间和角度联动扫谱，内置真空自锁与保护功能。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（图2和图3）。 这一设备的搭建完成，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。
　　图 2：拓扑绝缘体Bi2Se3未占据态的测量
　　这项工作及相关研究得到北京市科委、国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导科技专项（B类）和中国科学院科研仪器设备研制项目等项目的大力支持。高次谐波光源部分得到光物理重点实验室L07组赵昆副研究员、魏志义研究员及联培博士生王佶、许思源等人的密切协助与配合（详细信息请见：科研进展 高重复频率极紫外相干光脉冲的产生）。
　　图 3: CDW材料1T-TiSe2的能带动力学过程（T=87K）
　　图 4：集成控制系统
　　编辑：Norma、yrLewis