近日，清华大学物理系周树云教授应《自然·综述·方法导论》（Nature Reviews Methods Primers）邀请，联合德国马普研究所Ralph Ernstorfer教授和Tommaso Pincelli博士、美国劳伦斯-伯克利国家实验室的Chris Jozwiak博士、日本东京大学的Takeshi Kondo教授和日本东北大学的Takafumi Sato教授，共同撰写了题为“Angle-resolved photoemission spectroscopy”（角分辨光电子能谱）的综述文章（Nat. Rev. Methods Primers 2, 54 (2022)），对该实验技术进行了详细的介绍。清华大学物理系博士后、“水木学者”计划入选者张红云博士为文章第一作者，清华大学物理系周树云教授为该综述文章的通讯作者，编辑同期刊发PrimeView进行推广。

图1：ARPES基本原理和功能简介。(a) ARPES实验示意图及半球形能量分析器（上图）和时间飞行能量分析器（下图）。(b) ARPES实验结果举例，通过ARPES实验可获得三维能带结构E-kx-ky（上图）及费米面（下图）等信息。(c) ARPES实验基本原理，主要基于光电子激发及能量守恒原理。(d) 不同动能的电子的平均自由程，对应于不同光子能量的ARPES实验测量的探测深度。

       在晶体中，原子的周期性排列导致电子的能量E和动量k之间具有特定的关系—— E(k)，简称电子结构。电子结构是决定固体材料物理特性的根源，因此，电子结构的实验探测对于揭示和理解新奇量子材料中的关键物理机制以及设计和调控材料的物理特性具有重要的科学意义。角分辨光电子能谱（Angle-resolved photoemission spectroscopy, 简称ARPES）是直接探测固体材料电子结构的强大实验技术。它的基本原理是基于光电效应和能量、动量守恒定律（图1a,c），通过测量光电子的能量分辨信息和出射角度分辨信息（可转换成动量分辨信息），可获取固体材料中电子能量、动量分辨的电子结构E-kx-ky、费米面以及电子-声子、电子-电子相互作用等关键信息（图1b）。此外，通过选择不同的探测光子能量，还可以获得体材料性质敏感或者表面敏感信息（图1d）。近二十年来，该实验技术在高温超导体、拓扑绝缘体材料和拓扑半金属、二维材料及异质结等多个凝聚态物理重要材料体系中的应用，对相关领域的重要科学研究起到了重要的推动作用。周树云及合作者撰写的综述文章详细介绍了角分辨光电子能谱的基本原理及数据采集及数据分析，结合一些代表性的科学进展阐述该技术的强大功能，并总结和梳理了该领域的未来发展趋势。

       近年来，随着实验技术的不断发展，ARPES的功能进一步得到更好的拓展，除了能量和动量分辨信息以外，还可获得电子自旋、空间和时间等多维度分辨信息（见图2）。例如，通过结合自旋探测器，自旋分辨角分辨光电子能谱（SpinARPES）可获得电子能量、动量和自旋分辨信息，有助于推动磁性材料和具有自旋结构的材料的微观物理机制的研究。通过把光源紧聚焦到微米或纳米尺度，具有微米或纳米尺度空间分辨能力的MicroARPES/NanoARPES是研究小样品及具有相空间分离样品的电子能谱的利器。此外，通过结合ARPES与超快泵浦-探测技术，超快时间分辨角分辨光电子能谱（TrARPES）可获取固体材料电子能量、动量和时间分辨信息，为皮秒及飞秒时间尺度上量子材料非平衡态超快动力学的研究以及光诱导的新奇效应的前沿科学探索提供了前所未有的机遇。周树云研究组近年来致力于TrARPES高精尖仪器设备的研制及前沿科学研究，在量子材料超快动力学及瞬态电子结构的研究方面取得一些重要的科研进展。

图2：ARPES的最新发展及功能简介，包括SpinARPES、NanoARPES、TrARPES。(a) 自旋分辨的角分辨光电子能谱SpinARPES，可获取电子自旋分辨信息。（b）具有百纳米级空间分辨能力的NanoARPES，可实现微米尺度小样品的测量，以及具有相分离的样品的电子结构的研究。（c）时间分辨的角分辨光电子能谱TrARPES，可获得电子能量、动量和超快时间分辨的动力学信息，同时也是探索光诱导的新奇物理效应的强大实验技术。

       《自然-综述·方法导论》（Nature Reviews Methods Primers）创刊于2021年，旨在出版高质量的综述文章来加强跨学科的协作。周树云及合作者撰写的角分辨光电子能谱综述文章将有助于相关领域的初学者及跨学科研究者了解该前沿实验技术及其功能，并推广其在物理、材料等领域的应用。

       该工作得到国家重点研发计划（2021YFA1400100、2020YFA0308800）、国家自然科学基金委（11725418）的支持。

       全文链接：https://www.nature.com/articles/s43586-022-00133-7#Abs1

       PrimeView推广链接：https://www.nature.com/articles/s43586-022-00146-2