مقالة منهجية

طرق تجريبية للدوران وزاوية حل فوتوميشن التحليل الطيفي جنبا إلى جنب مع الليزر الاستقطاب-متغير

DOI:

10.3791/57090

⸱

يونيو 28, 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute for Solid State Physics, University of Tokyo

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا، نجمع بين متغير الاستقطاب 7-eV الليزر مع الدوران وزاوية حل فوتوميشن تقنية لتصور أثر اقتران المداري تدور في الولايات الصلبة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

والهدف من هذا البروتوكول هو كيفية تنفيذ الدوران وزاوية حل فوتوميشن التحليل الطيفي جنبا إلى جنب مع متغير الاستقطاب 7-eV الليزر (ليزر-ساربيس)، وتبين قوة هذه التقنية لدراسة فيزياء الجوامد. الليزر-ساربيس يحقق قدرات كبيرة اثنين. أولاً، عن طريق فحص قاعدة التحديد المداري الليزر مستقطبة خطيا، الإثارة انتقائية المداري يمكن القيام في تجربة سبريس. وثانيا، يمكن أن تظهر التقنية المعلومات الكاملة للاختلاف من محور دوران الكم كدالة لاستقطاب الضوء. وللتدليل على قوة التعاون بين هذه القدرات في ساربيس الليزر، نقوم بتطبيق هذا الأسلوب للتحقيقات في المدار تدور إلى جانب الدول السطحية بي2سي3. ويتيح هذا الأسلوب لتتحلل مكونات تدور والمداري من وافيفونكشنز إلى جانب المدار تدور. وعلاوة على ذلك، ميزة ممثل لاستخدام الكشف عن الدوران مباشرة تعاونت مع الليزر متغير الاستقطاب، يتصور التقنية لا لبس فيه الاعتماد على استقطاب الضوء لمحور الدوران الكم في ثلاثة أبعاد. الليزر-ساربيس يزيد بشكل كبير من قدرة تقنية فوتوميشن.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تطورت تقنية التحليل الطيفي (أربيس) فوتوميشن زاوية--حل واحدة من أقوى أداة التحقيق فيها الهياكل الفرقة quasiparticle في الدول الصلبة1. أكثر ميزة جذابة من أربيس هو القدرة على تعيين الفرقة لوصف الدول الإلكترونية في الفضاء الطاقة والزخم. تدور حل أربيس (ساربيس)، وهو مجهز هنا مع زيادة ونقصان للكشف عن، على سبيل المثال. موت الكاشف2،3، كذلك تمكننا من حل الحرف تدور الهياكل الفرقة الملاحظة4. حيث يمكن قياس كاشف موت وتدور على محورين (x و z، أو y و z)، المزيج من الكشف عن موت اثنين كذلك يسمح أحد للحصول على اتجاه الدوران في ثلاثة أبعاد4،5 . لعدة عقود، ولكن التجارب ساربيس كانت تعاني من كفاءتها منخفضة (عادة 1/10000 مقارنة بقياس أربيس متكاملة تدور)3،،من45،6 ،7، التي كانت محدودة بالطاقة والقرارات الزاوي. في الآونة الأخيرة، ازداد القرار الطاقة من ساربيس مع جهاز كشف تدور عالية كفاءة استناداً إلى نثر الصرف، ما يسمى الطاقة منخفضة جداً الإلكترون الحيود (بلد) للكشف عن7،8،9 ،10. مع هذا الجهاز، نوعية البيانات قد تحسنت بشكل ملحوظ وقد تم اختصار وقت الحصول على البيانات. مؤخرا، ساربيس قد نجحت إلى حد كبير لمعالجة الاستقطاب تدور الدول الإلكترونية ولا سيما المدار تدور اقتران تأثير أدى إلى نسيج تدور من عصابات السطحية7.

وهنا، نحن نوظف ساربيس قياسات الأشعة فوق البنفسجية فراغ الاستقطاب-متغير بالليزر الضوء (الليزر-ساربيس) وإظهار المزايا الكبيرة لهذا الأسلوب مجتمعة. من خلال التحقيق في المدار تدور إلى جانب دول السطحية بي2سي3، نقدم قدرات اثنين من الليزر-ساربيس. أولاً، بسبب قاعدة الاختيار المداري الليزر مستقطبة خطيا في نظام انتقالي ثنائي القطب، p-و s-تثير مستقطبة الأضواء بشكل انتقائي جزءا من وافيفونكشنز إيغين مع التماثل المدارية المختلفة. هذه إثارة انتقائية مداري تتوفر وبالتالي في ساربيس، إلا وهي ساربيس المداري انتقائية. وثانيا، ثلاثي الأبعاد (3D) تدور الكشف في ساربيس يظهر اتجاه محور دوران الكم ومباشرة يعرض معلومات كاملة للاعتماد على استقطاب الضوء. في هذا البروتوكول، يصف لنا بإيجاز منهجية لأداء هذه تقنية الليزر-ساربيس الدولة للفنون لدراسة آثار اقتران المدار تدور قوية.

لدينا نظام الليزر-ساربيس يقع في "المعهد" "فيزياء الحالة الصلبة"، "جامعة طوكيو"11. يظهر الرسم التخطيطي لماكينة الليزر-سبريس في الشكل 1. متغير الاستقطاب 7-eV الليزر الخفيفة12 ينير سطح العينة وفوتويليكترونس تنبعث من العينة. ويسيطر استقطاب الليزر تلقائياً مجف2-أساس λ/2-و λ/4-وافيبلاتيس استخدام انتقائي الاستقطاب الخطي والتعميم. تصحيح فوتويليكترونس وهو محلل إلكترون نصف كروية، ويحلل على الطاقة الحركية (هكين) وزاوية الانبعاثات (θx و yمن θ). يتم تعيين كثافة النانومترية في هكين-الشاشةθx ترصدها كاميرا CCD. هذه الصورة مباشرة تتحول إلى هيكل الفرقة الطاقة في الفضاء المعاملة بالمثل.

لقياس ساربيس، يهتدي فوتوليكترونس بزاوية الانبعاثات المحددة وتحليلها بواسطة محلل إلكترون طاقة حركية لبلد من نوع اثنين تدور كاشفات مع منحرف النانومترية 90 درجة وعوارض النانومترية تتركز على اثنين أهداف مختلفةف(1 × 1) الأفلام Fe(001)--إنهاء بواسطة الأكسجين. يتم الكشف عن فوتوليكترونس تنعكس بالأهداف في الكشف عن قناة واحدة باستخدام تشانيلترون وضعها في كل كاشف تدور. يمكن ممغنط الأهداف بلد مع لفائف كهربائية هلمهولتز-نوع التي يتم ترتيبها مع هندسة متعامد فيما يتعلق ببعضها البعض. يتم التحكم في اتجاه المغنطة بالبنك الدولي المكثف بين القطبين. كاشفات تدور بلد مزدوجة مما سيمكننا من تحليل متجه الاستقطاب تدور من النانومترية في ثلاثة أبعاد.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1-عينة من التحميل والتثبيت

  1. قطع عينات واحد-كريستال بي2سي313 في حجم تقريبي ل 1 × 1 × 0.5 ملم3 واستخدام الإيبوكسي الشظية المستندة إلى الصق عينة لصاحب العينة.
  2. قم بلصق الشريط سكوتش على سطح العينة.
    ملاحظة: يتم استخدام الشريط سكوتش تهزم العينة في أولتراهيغ فراغ الغرفة (اوهف) الحصول سطح نظيف الذرة.
  3. تثبيت العينة في العينة مجلة في قفل التحميل، وبدء تشغيل المضخة حتى يتم ضغط قفل التحميل أقل من 1 × 10-5 السلطة الفلسطينية.

2-عينة ناهضة

  1. فتح صمام اوهف بين تأمين الحمولة وقاعة إعداد اوهف.
  2. نقل المجلة عينة من الصخر التحميل إلى الدائرة إعداد باستخدام فيدثرو الخطي/الدوارة المرفقة إلى الدائرة قفل التحميل.
  3. التقاط العينة من العينة مجلة بقضيب نقل المرفقة إلى الدائرة إعداد.
  4. وضع العينة مجلة إلى قفل التحميل وإغلاق صمام اوهف.
  5. انتظر حتى يتم ضغط الدائرة إعداد أدناه 5 × 10-7 السلطة الفلسطينية.
  6. قشر سكوتش الشريط باستخدام عصا تمايل في قاعة الإعداد وتنشق العينة بشرط اوهف.

3-نموذج نقل إلى موضع القياس

  1. نقل العينة إلى دائرة القياس اوهف، وإصلاح العينة إلى جونيو-المرحلة الرئيسية من سائق المسمار مجهزة بغرفة القياس.
  2. نقل جونيو المرحلة إلى موضع القياس واستخدام مرحلة ميكرومتر بالتحديد نقل الموضع عينة على تركيز والمطياف.

4 الإعداد 7eV-ليزر

  1. قم بتشغيل الليزر Nd:YVO4.
    ملاحظة: الليزر يولد 355 ضوء الليزر في شمال البحر الأبيض المتوسط بمعدل تكرار عالية 120 ميغاهرتز.
  2. فتح مصراع شعاع الليزر، وتأكد من أن الليزر يمر عبر الكريستال كبف وموجه الثانية ومتناسق من 177 نيوتن متر (6.994 eV) يتم إنشاؤها.
  3. تحسين قوة 7eV-الليزر بواسطة تغيير قوة الليزر 355 نانومتر مع موهن متغير.

5-أربيس الحصول على البيانات

  1. فتح برنامج محلل السيطرة على كمبيوتر سطح المكتب.
    ملاحظة: نحن نستخدم "البرمجيات الخدمة التنفيذية العليا" وبرنامج عام لمحلل سسينتاوميكرون المسيطر مع منحرف إلكترون.
  2. حدد الإعداد.. فيما يلي تسلسل القائمة بار (الشكل 2، الخطوة أولاً – 2-1).
  3. اختر تكوين أربيس (الشكل 3، الخطوة أولاً – 3-1)، و رسم الخرائط أربيس في القائمة (الشكل 3، خطوة أولاً-3-2) للقيام بتعيين السطحية فيرمي مع منحرف النانومترية.
  4. انقر فوق تحرير (الشكل 3، خطوة أولاً-3-3)، وتكوين الخرائط السطحية فيرمي تتراوح بين-12 ° ° 12 من زاوية الانبعاثات θy مع حجم الخطوة 0.5 ° (الشكل 3، خطوة أولاً-3-4).
    ملاحظة: محلل الكرة مع منحرف إلكترون يتيح لنا خريطة السطح فيرمي دون تناوب عينة.
  5. انقر فوق تشغيل (الشكل 2، الخطوة أولاً-2-3).

6-ساربيس الحصول على البيانات

  1. يدوياً تغيير تركيب آلة لقياس ساربيس بما في ذلك الشق مدخل محلل وحجم فتحه العدسة (الشكل 1).
  2. حدد الإعداد.. فيما يلي تسلسل القائمة بار (الشكل 2، الخطوة أولاً-2-2).
  3. اختر عادي و تدور التكوين (الشكل 4، خطوة أولاً-4-1) في القائمة (الشكل 4، خطوة أولاً-4-2)، وانقر فوق موافق (الشكل 4، خطوة أولاً-4-3).
  4. حدد DA30 (الشكل 5، خطوة أولاً-5-1) على شريط القوائم و التحكم ثيتا... (الشكل 5، خطوة أولاً-5-2) لفتح لوحة الإعداد لتكوين زاوية (θx,yمن θ) DA30.
  5. اختر زاوية الانبعاثات (θx, θy) = (-6 °، 0 °) اتخاذ ساربيس الأطياف (الشكل 5، خطوة أولاً-5-3).
  6. تطبيق الحقل المغناطيسي بالسيطرة على المصرف مكثف بين القطبين لجذب الهدف بلد في الاتجاه الإيجابي على طول محور معين (α: xأو yأو z).
    ملاحظة: في نظامنا، ويمكن إجراء هذه العملية من خلال موجه الأوامر[الرقم 6 (أ)].
  7. انقر فوق تشغيل لتتخذ كثافة الطيف (الشكل 2، الخطوة أولاً-2-3).
  8. تطبيق الحقل المغناطيسي جذب الهدف بلد في الاتجاه السلبي على طول α وبدء المسح الضوئي أن كثافة الطيف.
  9. حساب تدور-الاستقطاب والأطياف تدور حل.

7-المسح الاعتماد على استقطاب الضوء

  1. تغيير زاوية λ/2-وافيبلاتي الخاضعة للتحديد المحرك يخطو لحن استقطاب الضوء eV 7-الليزر.
    ملاحظة: في نظامنا، ويمكن إجراء هذه العملية من خلال موجه الأوامر [الرقم 6 (ب)].
  2. أن الأطياف تدور حل للمحاور x و y و z .
  3. المسح الضوئي أطياف تدور حل كدالة لاستقطاب الضوء مع اختلاف الزاوية وافيبلاتي نصف من 0° إلى 102° مع حجم الخطوة 3 °.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

قبل البدء في تجارب ساربيس، مواقف ك تحتاج إلى تحديد بدقة لاتخاذ تدور حل الطيف باستخدام نتائج أربيس متكاملة تدور إحصائية عالية مع ارتفاع الطاقة-الزاوي-قرارات و (بروتوكول 5، 1-5، 5). ويتضح ذلك في الشكل 7 التي عرضت فيها نتائج أربيس بي2سي3 البلورة الأحادية. ومن المعروف هذه المواد كعازل تنميط طوبولوجي مع الأقطاب تدور دول سطحية14،15. خريطة الفرقة أربيس يحل وضوح تشتت الطاقة ديرا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

استخدمت تقنيات أربيس وساربيس عادة لدراسة هياكل الفرقة الإلكترونية عن طريق تعيين الفرقة والكشف عن زيادة ونقصان1،2. وبالإضافة إلى هذه المزايا العامة المبينة أعلاه، يمكن استخدام الليزر-ساربيس استناداً إلى قاعدة التحديد المداري في الإثارة الضوئية ثنائي القطب كأسلوب رواية لتصور أثر اقتران المداري تدور في تدخل تدور وافيفونكشن والكم . كما هو موضح في الشكل 9 و 10، استقطاب الليزر يمكن التلاعب بها بسهولة بمجرد وافيبلاتيس لإما...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب يعلن أن لديهم لا تضارب المصالح المالية.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ونشكر فوكوشيما أ. م. ناكاياما، س. تويوهيسا، ويدعم إيشيدا Y. للإعداد التجريبية. ونعترف مع الامتنان التمويل من المعونة-جرانتين JSPS للبحوث العلمية (ب) من خلال المشروع رقم 26287061 و للعلماء الشباب (ب) من خلال "مشروع رقم" 15 ك 17675. هذا العمل أيضا تدعمها JSPS كاكينهي (منحة رقم 16 ح 02209) ويأمرون اليابان (منطقة مبتكرة "طوبولوجي علوم المواد،" منح رقم 16 ح 00979)

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
DA30-L محلل نصف كرويScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
تقنية الايبوكسيالايبوكسيH20E
Sctoch الشريط3M801-1-18C
صمام UHVضريبة القيمة المضافة01034-KE01
التغذية الخطية / الدوارة من خلالFerrovacMD40
قضيب نقلتصميم UHVسلسلة PP
تذبذب عصاFerrovacWM40
Paladin المدمجة 355متماسكة
نصف لوحة موجيةKogakugikenالنظام جعل
ثنائي القطب بنك مكثفTsuji الإلكترونيات
القائم على الفضة

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -X. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors. Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).
  2. Johnson, P. D. Spin-polarized photoemission. Rep. Prog. Phys. 60 (11), Available from: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/60/11/002/meta 1217-1304 (1997).
  3. Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -G., Kakizaki, A. A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency. Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).
  4. Dil, J. H. Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems. J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001(2009).
  5. Hoesch, M., et al. Spin-polarized Fermi surface mapping. J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).
  6. Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector. Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101(2010).
  7. Okuda, T., Kimura, A. Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002(2013).
  8. Okuda, T., et al. A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution. Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117(2008).
  9. Jozwiak, C., et al. A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry. Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904(2010).
  10. Okuda, T., et al. Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center. Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302(2011).
  11. Yaji, K., et al. High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light. Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111(2016).
  12. Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy. J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001(2015).
  13. Augustine, S., Mathai, E. Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals. Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).
  14. Hasan, M. Z., Kane, C. L. Colloquium: Topological insulators. Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).
  15. Ando, Y. Topological insulator materials. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011(2013).
  16. Zhang, H., Liu, C. -X., Qi, X. -L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -C. Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface. Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).
  17. Cao, Y., et al. Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators. Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).
  18. Zhang, H., Liu, C. -X., Zhang, S. -C. Spin-orbital texture in topological insulators. Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801(2013).
  19. Kuroda, K., et al. Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3. Phys. Rev. B. 94 (16), 165162(2016).
  20. Meier, F., et al. Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys. J Phys-Condens Mat. 23 (7), URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/23/7/072207/meta 072207(2011).
  21. Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature. J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).
  22. Yaji, K., et al. Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states. Nature Commun. 8, 14588(2017).
  23. Noguchi, R., et al. Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states. Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R)(2017).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Spin Resolved PhotoemissionAngle Resolved PhotoemissionPolarization Variable LaserLaser SARPES TechniqueBismuth Selenide SampleUltrahigh Vacuum ChamberHemispherical AnalyzerFermi Surface MappingSpin Polarization MeasurementLight Polarization Control

مقالات ذات صلة