角分辨光電子能譜技術(shù)是測(cè)量物質(zhì)電子結(jié)構(gòu)的最直接的手段之一，是在相空間給“電子拍照”的照相術(shù)，目前能夠精確地測(cè)量電子的能量和動(dòng)量，但電子狀態(tài)的另一重要維度“自旋”卻由于測(cè)量上的困難，無(wú)法有效測(cè)量。我校物質(zhì)學(xué)院光子科學(xué)及凝聚態(tài)物理研究部特聘教授喬山課題組近期在這一領(lǐng)域取得了重大突破，研制成功首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、基于自旋交換相互作用的多通道超高效率自旋分辨光電子譜儀。

物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都是由物質(zhì)中的電子狀態(tài)所決定的。隨著科技發(fā)展，通過(guò)物質(zhì)的電子狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)和調(diào)控物質(zhì)的量子行為已經(jīng)成為可能。調(diào)控物質(zhì)特性和研究其形成機(jī)理，精準(zhǔn)測(cè)量物質(zhì)中的電子狀態(tài)至關(guān)重要，其核心是測(cè)量物質(zhì)中的電子在能量、動(dòng)量和自旋空間中的分布（物質(zhì)中的電子狀態(tài)僅有這3個(gè)好量子數(shù)）。角分辨光電子能譜在近三十年來(lái)得到了迅猛發(fā)展，主要得益于高分辨多通道電子能量分析器的發(fā)明和進(jìn)步，最新型的角分辨光電子譜儀已經(jīng)可以提供電子在能量和動(dòng)量空間的準(zhǔn)確分布。

電子的自旋是另一個(gè)物理學(xué)可測(cè)量的基本狀態(tài)參量?，F(xiàn)代凝聚態(tài)物理的許多重大發(fā)現(xiàn)，如磁性、超導(dǎo)、超流、量子霍爾效應(yīng)、近藤效應(yīng)、巨磁阻效應(yīng)、自旋密度波、拓?fù)浣^緣體等都起源于強(qiáng)相關(guān)聯(lián)或自旋-軌道相互作用，而這兩種相互作用都和電子自旋密切相關(guān)。由于缺乏多通道電子自旋分析器，進(jìn)行能量、動(dòng)量、自旋全參量電子狀態(tài)測(cè)量的自旋分辨光電子譜儀僅能在傳統(tǒng)的單通道測(cè)量模式下工作，成為阻礙凝聚態(tài)物理表征測(cè)量及相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。

近期，在國(guó)家自然科學(xué)基金委重大科研儀器設(shè)備研制專(zhuān)項(xiàng)“基于上海同步輻射光源的能源環(huán)境新材料原位電子結(jié)構(gòu)綜合研究平臺(tái)”和物質(zhì)學(xué)院光子科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究部平臺(tái)基金的支持下，喬山課題組與合作者建成了世界首臺(tái)基于交換相互作用的圖像性多通道電子自旋分析器，突破了以往自旋分辨的單通道測(cè)量模式，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了一臺(tái)超高效率自旋分辨光電子譜儀，可以實(shí)現(xiàn)6786道的多通道測(cè)量，具有比目前商品化譜儀高54萬(wàn)倍的測(cè)量效率。這一核心技術(shù)將完全改變自旋分辨光電子譜研究領(lǐng)域的現(xiàn)狀。該研究成果已于2016年4月28日在《Physical Review Letters》發(fā)表。

這一擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心探測(cè)技術(shù)還將被應(yīng)用在我校負(fù)責(zé)的上海光源二期工程“納米自旋與磁學(xué)的用戶(hù)束線(xiàn)”，服務(wù)廣大科學(xué)用戶(hù)。在物質(zhì)學(xué)院的持續(xù)支持下，喬山課題組正在研發(fā)第二代自旋分辨光電子譜儀。

文章鏈接: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.177601