方法文章

自旋角分辨光电子光谱与偏振变激光相结合的实验方法

DOI：

10.3791/57090

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2018年6月28日

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1Institute for Solid State Physics, University of Tokyo

本文内容

摘要

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

在这里, 我们将偏振变 7 eV 激光器与自旋-角分辨光电子技术相结合, 以可视化固态中的自旋轨道耦合效应。

摘要

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

本协议的目的是介绍如何执行自旋和角分辨光电子光谱与偏振-变 7-eV 激光器 (激光 SARPES), 并证明了这一技术的力量, 研究固体物理。激光 SARPES 达到两大功能。首先, 通过对线性极化激光器的轨道选择规律的研究, 可以在 SAPRES 实验中进行轨道选择性激励。其次, 该技术可以显示自旋量子轴作为光极化函数的变化的完整信息。为了演示这些能力在激光 SARPES 中的协作能力, 我们将此技术应用于对 Bi2Se3的自旋轨道耦合表面状态的研究。这种技术可以从自旋轨道耦合波函数中分解自旋和轨道元件。此外, 该技术作为利用直接自旋检测与偏振变量激光器协作的代表优势, 明确地直观地揭示了自旋量子轴在三维中的光极化依赖性。激光 SARPES 显著提高了光电子技术的能力。

引言

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角分辨光电子光谱学 (ARPES) 技术已发展成为研究固态1中准粒子带结构最有力的工具之一。ARPES 的最具吸引力的特征是在能量和动量空间中的电子态特征的波段映射能力。自旋解析 ARPES (SARPES), 这里装有自旋探测器, 即g。莫特探测器2,3, 进一步使我们能够解决的自旋特性的观测带结构4。由于莫特探测器可以测量两个轴 (x和z, 或y和z) 的旋转, 两个莫特探测器的组合进一步允许一个在三维度4,5 中获得旋转方向..然而, 几十年来, SARPES 实验的效率低 (通常是 1/10000, 与自旋集成 ARPES 测量相比)3,4,5,6 ,7, 它限制了能量和角分辨率。最近, SARPES 的能量分辨率增加了一个基于交换散射的高效自旋探测器, 所谓的极低能量电子衍射 (VLEED) 探测器7,8,9 ,10。利用该检测器, 数据质量得到了显著提高, 数据采集时间缩短。最近, SARPES 成功地解决了自旋极化电子态, 特别是自旋-轨道耦合效应, 导致了表面带7的自旋纹理。

在这里, 我们使用 SARPES 测量与偏振变真空紫外线激光 (激光 SARPES), 并证明了这一组合技术的巨大优势。通过对 Bi2Se3中自旋轨道耦合表面状态的研究, 提出了两种激光 SARPES 的能力。首先, 由于线性极化激光器在偶极过渡态中的轨道选择规律, p-和s-偏振光有选择地激发了不同轨道对称的特征波函数的一部分。这样的轨道选择性激发, 从而在 SARPES, 即轨道选择性 SARPES。其次, SARPES 中的三维 (3D) 自旋检测显示了自旋量子轴的方向, 直接显示了光极化依赖性的完整信息。在本议定书中, 我们简要描述了一种方法来执行这一最先进的激光 SARPES 技术来研究强自旋轨道耦合效应。

我们的激光 SARPES 系统位于11东京大学固体物理研究所。图 1显示了我们的激光 SAPRES 机的原理图。偏振变 7 eV 激光光12照亮样品表面, 光电子从样品中发出。激光偏振由 MgF2基λ/2-和λ/4 waveplates 自动控制, 选择性地使用线性和圆形偏振。半球电子分析仪纠正了光电子, 并分析了它们的动能 (E族) 和发射角 (θx 和θy)。在 CCD 摄像机监控的E型θx 屏幕上映射了光电子强度。该图像直接转化为互补空间的能量带结构。

对于 SARPES 测量, 通过电子分析仪分析的光电子具有特定的发射角和动能, 对两个具有90度光电子偏转器的 VLEED 型自旋探测器进行了导引, 光电子束聚焦在两个铁 (001)p(1×1) 薄膜的不同靶点由氧终止。通过在每个自旋探测器中使用一个 channeltron, 在单通道检测中检测到目标反射的光电子。VLEED 的目标可以磁化与亥姆霍兹型的电线圈, 这是安排与正交几何相互尊重。磁化方向由双极电容器库控制。双 VLEED 自旋探测器从而使我们能够分析三维光电子的自旋极化矢量。

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方案

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1. 装载和安装示例

  1. 将 Bi2Se313的单晶样品切成 1 x 1 x 0.5 毫米3 , 并使用银基环氧树脂将样品粘附在样品架上。
  2. 将透明胶带粘贴到样品表面上。
    注: 该透明胶带用于在超高真空 (特高压) 腔内切割样品以获得原子清洁的表面。
  3. 将样品安装到负载锁的样品杂志中, 启动泵直到负载锁的压力低于 1×10-5宾夕法尼亚州。

2. 试样裂解

  1. 打开负载锁和特高压准备室之间的特高压阀。
  2. 使用连接到负载锁室的线性/旋转馈将样品杂志从负载岩石移动到准备室。
  3. 从样品杂志上提取样品, 并附上准备室的转移杆。
  4. 把样品杂志放回负载锁中, 关闭特高压阀门。
  5. 等待, 直到准备室的压力低于 5×10-7宾夕法尼亚州
  6. 在制备室中使用摆动棒剥离透明胶带, 在特高压条件下对试样进行切割。

3. 样品转移到测量位置

  1. 将样品转移到特高压测量室, 并将试样固定在主 gonio 阶段, 由装有测量室的螺钉驱动。
  2. 将 gonio 阶段移动到测量位置, 并使用千分尺阶段精确地将取样位置移到光谱仪的焦点上。

4. 7 ev 激光装置

  1. 打开 Nd:YVO4 激光器。
    注: 激光产生355纳米激光光, 重复率高120兆赫。
  2. 打开激光光束快门, 确保激光穿过 KBBF 晶体, 产生 177 nm (6.994 eV) 的第二谐波波。
  3. 通过改变355纳米激光与可变衰减器的功率, 优化 7 ev 激光器的功率。

5. ARPES 数据采集

  1. 在台式计算机上打开分析器控制软件。
    注: 我们使用 "SES 软件", 这是一个通用的程序控制 ScientaOmicron 分析仪与电子偏转器。
  2. 在菜单栏上选择 "设置......" (图 2, 第一步 2-1)。
  3. 选择ARPES 配置(图 3, 步骤 i. 3-1) 和ARPES 映射在列表中 (图 3, 第一步 3-2) 执行费米表面映射与光电子偏转器。
  4. 单击 "编辑" (图 3, 第一步 3-3) 并配置费米曲面映射, 范围从-12°到12°的发射角θy 与0.5°的步长 (图 3, 第一步 3-4)。
    注意: 用电子偏转器的半球分析器使我们能够映射费米表面而不进行样本旋转。
  5. 单击 "运行" (图 2, 第一步 2-3)。

6. SARPES 数据采集

  1. 手动更改 SARPES 测量的机器设置, 包括分析仪入口狭缝和孔径大小 (图 1)。
  2. 在菜单栏上选择 "设置......" (图 2, 第一步 2-2)。
  3. 选择 "旋转配置" (图 4、步骤 4-1) 和列表中的正常(图 4, 第一步 4-2), 然后单击"确定" (图 4, 第一步. 4-3)。
  4. 选择DA30 (图 5, 第一步. 5-1) 在菜单栏和控制θ..。(图 5, 第一步. 5-2) 打开设置面板的 DA30 角 (θx, θy) 配置。
  5. 选择发射角 (θx, θy) = (-6°, 0°) 以 SARPES 光谱 (图 5, 第一步. 5-3)。
  6. 通过控制双极电容器库, 应用磁场, 将 VLEED 目标沿特定轴 (α: x、 y或z) 的正方向磁化。
    注意: 在我们的系统中, 这个过程可以通过命令提示符完成 [图 6 (a)]。
  7. 单击 "运行" 以采取强度频谱 (图 2, 第一步 2-3)。
  8. 应用磁场对 VLEED 目标沿α方向磁化, 开始扫描以达到强度谱。
  9. 计算自旋极化和自旋分辨谱。

7. 扫描光极化依赖性

  1. 改变由步进电机精确控制的λ/2-waveplate 的角度来调节 7 eV 激光器的光极化。
    注意: 在我们的系统中, 这个过程可以通过命令提示符完成 [图 6 (b)]。
  2. 取x、y和z轴的自旋分辨光谱。
  3. 将自旋分辨光谱扫描为光极化函数, 并将102°的半 waveplate 角与3°的步长大小变化。

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结果

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在开始 SARPES 实验之前, 需要用高能量和角分辨率 (5.1-5.5) 的高度统计自旋综合 ARPES 结果准确地确定k位置, 以获得自旋分辨谱。图 7展示了双2Se3单晶的 ARPES 结果。这种材料被称为一个典型的拓扑绝缘体与自旋极化表面状态14,15。ARPES 带图清楚地解析了二维表面状态16的非常陡峭的狄拉克锥状能量色散。结果表明, ARPES 的表面质量高, 样品定向。从带图和费米曲面映射的能量和动量信息, 现在可以选择 SARPES 实验的特定发射角。

图 8(a)

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讨论

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ARPES 和 SARPES 技术已被广泛用于研究电子带结构通过波段映射和自旋检测1,2。除了上述一般优点之外, 基于光偶极子激发的轨道选择规则的激光 SARPES 可以作为一种新的技术, 用于可视化波函数和量子自旋干涉中的自旋轨道耦合效应。.如图 9 和 10所示, 激光的偏振可以很容易地通过 waveplates 在p和s-偏振19之间的倾斜线性偏振来操作。在原理上, 可以在激光 SAPRES 中获得和使用圆形甚至椭圆形偏振光。在传统光源中, 如惰性气体放电灯和同步辐射等, 很难得到这种可调谐极化的变化。因此, 将偏振变激光与 SARPES 3D 自旋分辨率相结合, 大大提高了光电子技术的性能。

要在最佳条件下进行激光 SARPES, 必须时刻注意空间电荷效应

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披露

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

作者声明他们没有竞争的财政利益。

致谢

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

我们感谢 m. 中山, s. Toyohisa, 福岛和石田支持实验装置。我们感激地认识到, 通过26287061号项目和青年科学家 (b) 通过15K17675 项目的 Grantin (b) 为科学研究提供的资助。这项工作也得到日本下个 (创新领域 "拓扑材料科学", "16H00979 号") 和 jsp KAKENHI (批准号 16H02209) 的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
DA30-L 半球形分析仪ScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
银基环氧树脂 环氧树脂技术H20E
Sctoch 胶带3M801-1-18C
特高压阀VAT01034-KE01
线性/旋转馈入装置FerrovacMD40
传输杆UHV 设计PP 系列
摆动棒FerrovacWM40
Paladin 紧凑型 355相干
半波片Kogakugiken订单制作
双极聚光镜组辻电子

参考文献

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