进展 | 国际首台大动量极低温深紫外激光角分辨光电子能谱系统研制成功并投入使用

中科院物理所

角分辨光电子能谱技术（ARPES）是当代凝聚态物理和材料科学研究中能直接测量电子结构的最重要的实验手段。在众多前沿物理问题的研究中，如高温超导体和其它非常规超导体的超导机理、拓扑材料的探索以及二维材料的超导与奇异物性等方面，角分辨光电子能谱技术都发挥着至关重要的作用。随着研究问题的深入，对光电子能谱的性能提出的要求也越来越高。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心周兴江研究组与中国科学院理化技术研究所许祖彦院士研究组和陈创天院士研究组长期合作，采用我国具有自主知识产权的深紫外激光技术，于2006年底成功研制了国际首台“真空紫外激光角分辨光电子能谱仪”，接着又于2012年底研制成功“真空紫外激光自旋分辨/角分辨光电子能谱仪”和“基于飞行时间能量分析器的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪”。该系列能谱仪在主要性能上国际领先，并具有独特的优势，把光电子能谱技术提高到了一个新的层次。此后，该研究团队继续努力，推动深紫外光电子能谱技术向更高光子能量、更低样品温度和更高分辨率方向进发，于近期成功研制了“大动量极低温深紫外激光光电子能谱系统”。

图 1. 技术验收现场报告会

2021年9月8日，在周兴江研究员组织下，赵林副研究员带领博士生吕守鹏（已毕业）、艾平（已毕业）、戎洪涛（已毕业）、闫宏涛、贾俊杰、杨鉴刚和张杏等历时8年研制成功的“大动量极低温深紫外激光光电子能谱系统”，顺利通过中科院条件保障与财务局组织的现场技术验收会(图1)。专家组对项目给予了充分肯定，对谱仪实现的高技术指标给予了高度评价。

图 2. 大动量极低温深紫外激光角分辨光电子能谱系统

图 3. 177nm和167nm深紫外激光光路示意图

该激光光电子能谱系统主要由极低温五轴冷台、He3气体控制系统、两种深紫外激光源、R8000电子能量分析器以及样品传输和测量系统等组成，如图2所示。光源配备了两套具有自主知识产权的177nm和167nm深紫外激光（如图3所示），对应光子能量分别为7.0eV和7.4eV，光源的线宽为0.26meV。7.4eV的深紫外激光属国际首创，是全固态激光目前达到的光子能量最高纪录。采用7.4eV的深紫外激光, 在铜氧化物高温超导体的测量中可以达到关键的反节点区域。该仪器采用5轴低温样品台（见图4），该仪器的样品台采用液体He4预冷、抽取液体He3制冷的技术，样品处在实现五个自由度（三个平动，两个转动）的条件下最低样品温度达到0.8K。在0.8K的低温下，对多晶金的费米能级展宽测得的总宽度为0.71meV（图5），验证了整个系统的超高能量分辨率。

图4. He3极低温五轴冷台以及最低温测试

图 5. 多晶金在两种不同的测量模式下的角分辨谱图和积分费米能级展宽

图6显示了几种典型样品的角分辨测量结果，表明新研制的大动量极低温深紫外激光角分辨光电子能谱仪在极低温下正常工作。这是国际首台样品温度低于1K的极低温激光角分辨光电子能谱系统，实现了目前光电子能谱技术能达到的样品最低温度，也是目前国际上能正常工作的唯一一台同时实现超低温和超高分辨率的角分辨光电子能谱系统。新的7.4eV的深紫外激光、创纪录的0.8K的极低温以及好于1meV的超高能量分辨率，这些优越和独特的性能，使得在极低温度和超高分辨率下对高温超导机理、量子相变、重费米子超导体和拓扑超导体等诸多重要前沿问题的研究成为可能。这一新的开创性的研发工作，将确保我国深紫外激光光电子能谱技术在国际上继续保持领先地位，为进一步研究凝聚态物理关键问题提供高尖端的实验手段。

这项工作及相关研究得到财政部和中国科学院仪器研制专项等项目的大力支持。