- 实验室
任何材料的宏观物理性质都由其微观的电子运动过程所支配，因此要了解、控制和利用先进材料中众多的新奇物理现象，就必须首先研究它们的电子结构。众所周知，如果要完全描述材料中电子的状态，需要获得三个基本的参量: 能量(E)，动量(k)，和自旋(s)。 光电子能谱技术是所有实验手段中唯一能直接测量这些参量的实验手段，所以它是研究高温超导体等先进材料微观电子结构的高尖端实验手段，处于非常突出的地位。 通过克服技术挑战，角分辨光电子能谱朝着更加尖端的方向前进。其中由我们课题组自主研制的真空深紫外激光角分辨光电子能谱更是将探测的能量和动量分辨率提升到了新的量级。
基本原理
角分辨光电子能谱（Angle Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES的原理是基于光电效应：当一束光照射到样品上时，样品内的电子吸收光子能量而逃逸出材料表面，产生光电子。 由于此过程中遵守能量守恒和动量守恒，所以通过能量分析器测出光电子在空间不同角度的能量和数量就可以获得材料内部电子的能量和动量的信息
三步模型
通常光电效应严格的处理方法是把光子吸收，电子发射和光电子的探测作为一个独立的相干过程来处理，这就是所谓的 “单步模型”。另一种比较直观的处理方法采用所谓的“三步模型”。在这个模型中，光电子发射过程被划分为三个步骤： 1. 入射光子从固体体内激发一个电子； 2. 被激发的电子在固体中传输； 3. 光电子从固体表面逃逸出到真空。
谱函数
单电子谱函数代表格林函数的虚部，谱函数A(K,ω)可表示为：
其中Σ（K,ω）为电子自能，其实部和测量的能量-动量色散关系相关，虚部则与准粒子寿命相关。通过对电子自能的测量可以研究材料内部的多体效应，即电子和其它电子、声子等的相互作用。
我们课题组在周老师的带领下攻克重大难关，巧妙的利用我国的自主研发的激光倍频技术，以真空深紫外激光作为光源系统，研制了全球第一台真空紫外激光角分辨光电子能谱仪，其性能全球遥遥领先，接着又研制了一系列性能国际领先的基于真空深紫外激光的光电子能谱系统。 图为我们实验室ARPES设备的整体构造图，从左至右分别为自旋分辨角分辨光电子能谱仪、飞行时间角分辨光电子能谱仪、可调谐深紫外激光角分辨光电子能谱仪、极低温大动量激光角分辨光电子能谱仪。
实验室ARPES设备的整体构造图
【相关综述】
[1]. Guodong Liu, Guiling Wang, Yong Zhu, Hongbo Zhang, Guochun Zhang, Xiaoyang Wang, Yong Zhou, Wentao Zhang, Haiyun Liu, Lin Zhao, Jianqiao Meng, Xiaoli Dong, Chuangtian Chen, Zuyan XU and X. J. Zhou, “Development of a Vacuum Ultra-Violet Laser-Based Angle-Resolved Photoemission System with a Super-High Energy Resolution Better Than 1 meV”, Review of Scientific Instruments 79, 023105 (2008)
[2]. Xingjiang Zhou, Shaolong He, Guodong Liu, Lin Zhao, Li Yu and Wentao Zhang, "New developments in laser-based photoemission spectroscopy and its scientific applications: a key issues review", Reports on Progress in Physics 81(6), 062101 (2018)