在此，我们将偏振可调的7-eV激光与自旋和角度分辨光电子能谱技术相结合，以可视化固体中的自旋-轨道耦合效应。
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本文内容
摘要
摘要
本实验方案旨在介绍如何开展结合偏振可调7 eV激光器的自旋-角度分辨光电子能谱（激光-SARPES），并展示该技术在凝聚态物理研究中的强大能力。激光-SARPES具备两项重要优势：首先，通过分析线偏振激光的轨道选择定则，可在SAPRES实验中实现轨道选择性激发；其次，该技术能够完整呈现自旋量子轴随光偏振方向变化的全部信息。为展示激光-SARPES中上述能力协同作用的优势，我们将该技术应用于Bi2Se3的自旋-轨道耦合表面态研究。该方法能够从自旋-轨道耦合的波函数中分解出自旋和轨道成分。此外，利用直接自旋探测与偏振可调激光相结合的典型优势，该技术可清晰地三维可视化自旋量子轴对光偏振的依赖关系。激光-SARPES显著提升了光电子能谱技术的探测能力。
引言
角分辨光电子能谱（ARPES）技术已发展成为研究固体中准粒子能带结构最强大的工具之一1。ARPES 最具吸引力的特点是能够进行能带映射，从而在能量和动量空间中表征电子态。原位配备自旋探测器（例如 Mott 探测器2,3）的自旋分辨 ARPES（SARPES）进一步使我们能够解析所观测能带结构的自旋特性4。由于 Mott 探测器可沿两个轴（x 和 z，或 y 和 z）测量自旋，因此结合两个 Mott 探测器还可实现三维空间中的自旋取向测定4,5。然而数十年来，SARPES 实验受限于其低探测效率（通常仅为自旋积分 ARPES 测量的 1/10000）3,4,5,6,7，这限制了能量和角度分辨率。近....
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方案
1. 样品安装与固定
- 将 Bi2Se313 单晶样品切割成约 1 × 1 × 0.5 mm3 的尺寸，并使用银基环氧树脂将样品粘接到样品托上。
- 将透明胶带贴在样品表面。
注意：透明胶带用于在超高真空（UHV）腔室中解理样品，以获得原子级清洁的表面。 - 将样品装入负荷锁中的样品架内，启动抽泵，直至负荷锁的压力低于 1×10-5 Pa。
2. 样品切割
- 打开负荷锁与超高真空制备腔室之间的超高真空阀门。
- 使用连接在负荷锁腔室上的线性/旋转传动装置，将样品架从负荷锁转移至制备腔室。
- 使用连接在制备腔室上的转移杆从样品架上取下样品。
- 将样品架放回负荷锁中，并关闭超高真空阀门。
- 等待直至制备腔室的压力低于 5×10-7 Pa。
- 在制备腔室中使用摇摆杆剥离透明胶带，并在超高真空条件下解理样品。
3. 将样品转移至测量位置
- 使用测量室配备的螺丝刀将样品转移至超高真空（UHV）测量室，并将其固定在主测角仪平台上。
- 移....
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结果
在开始自旋分辨角分辨光电子能谱（SARPES）实验之前，需利用高统计性、高能量分辨率和高角度分辨率的自旋积分ARPES结果，精确确定用于采集自旋分辨谱的k点位置（见实验方案5.1–5.5）。图7展示了Bi2Se3单晶的ARPES结果，对此进行了说明。该材料是一种典型的拓扑绝缘体，具有自旋极化的表面态14,15。ARPES能带图清晰地分辨出二维表面态所呈现的陡峭类狄拉克锥能带色散关系16。ARPES结果证实了样品解理表面质量高且取向正确。根据能带图及费米面成像所提供的能量与动量信息，现在可选定SARPES实验所需的特定发射角度。
.......
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讨论
ARPES 和 SARPES 技术已广泛用于通过能带映射和自旋探测来研究电子能带结构1,2。除了上述通用优势外，基于光学偶极跃迁中轨道选择定则的激光-SARPES 还可作为一种新颖的技术，用于可视化波函数中的自旋-轨道耦合效应以及量子自旋干涉现象。如图9和10所示，仅通过波片即可轻松调节激光的偏振态，实现介于p偏振和s偏振之间的倾斜线偏振19。原则上，还可获得并使用圆偏振甚至椭圆偏振光进行激光-SARPES。这种可调谐的偏振多样性在传统的光源（如惰性气体放电灯和同步辐射）中难以实现。因此，偏振可调激光与具备三维自旋分辨能力的 SARPES 技术相结合，显著提升了光发射技术的探测能力。
为了在最佳条件下进行激光-SARPES实验，必须始终注意空间电荷效应12.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
我们感谢中岛M.、丰久S.、福岛A.和石田Y.在实验装置方面提供的支持。本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究费补助金（B）项目编号26287061以及青年学者研究费补助金（B）项目编号15K17675的资助。本工作还获得了日本文部科学省（MEXT）创新领域项目的支持。 "拓扑材料科学" 日本学术振兴会科学研究费补助金（Grant No. 16H00979）和日本学术振兴会KAKENHI（Grant No. 16H02209）
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| DA30-L 半球形分析仪 | ScientaOmicron | http://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170 | |
| 银基环氧树脂 | Epoxy Technology | H20E | |
| Scotch 胶带 | 3M | 801-1-18C | |
| 超高真空阀门 | VAT | 01034-KE01 | |
| 直线/旋转传动装置 | Ferrovac | MD40 | |
| 传输杆 | UHV design | PP 系列 | |
| 摆动棒 | Ferrovac | WM40 | |
| Paladin compact 355 | Coherent | ||
| 半波片 | Kogakugiken | 定制 | |
| 双极性电容器组 | Tsuji electronics |
参考文献
- Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -X. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors. Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).
- 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).
- Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -G., Kakizaki, A.
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重印与许可
