Name: 在极低的温度下角分辨光电子能谱 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-10-09T12:55:00.000+00:00
Duration: 8 min 53 s
Description: 了解角分辨光电子能谱技术如何在低于1开尔文的极低温下精确测定Sr₂RuO₄等复杂材料的电子结构。该方法结合同步辐射与氦三制冷技术，实现超高能量分辨率，为研究超导性和电子关联效应提供关键实验手段。

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我们衷心感谢 Rolf Follath、Roland Hübel、K. Möhler、Dmytro Inosov、Jörg Fink、Andreas Koitzsch、Bernd Büchner、Andrei Varykhalov、Emile Rienks、Oliver Rader、Setti Thirupathaiah、Denis Vyalikh、Sergey Molodtsov、Clemens Laubschat、Ramona Weber、Hermann Dürr、Wolfgang Eberhardt、Christian Jung、Thomas Blume、Gerd Reichardt、David Batchelor、Kai Godehusen、Martin Knupfer、Stefan Leßny、Dirk Lindackers、Stefan Leger、Ralf Voigtländer 和 Ronny Schönfelder 的帮助，他们提出了“1-cubed”项目，并负责光束线和终端站的设计、建造与调试，同时提供了组织支持和用户协助。
项目“1-cubed ARPES”已获得德国联邦教育与研究部（BMBF）“最高分辨率ARPES”资助，以及BESSYII和德累斯顿固体与材料研究所（IFW-Dresden）的直接资助。本项工作得到了德国研究基金会（DFG）重点计划SPP1458的资助，资助编号为ZA 654/1-1、BO1912/3-1和BO1912/2-2。E.C.和B.P.D.感谢约翰内斯堡大学理学院提供的差旅经费支持。A.V.、R.F.和M.C.感谢欧盟第七框架计划（FP7/2007-2013）在资助协议编号N. 264098 - MAMA项下提供的支持。

1. 样品安装
<ol>
 <li>本实验使用由柏林亥姆霍兹中心（Helmholtz-Zentrum Berlin）的 BESSY 储存环产生的同步辐射。光子通过光束线传输至我们的终端站，在此处安装样品。</li>
 <li>从待研究材料的单晶开始，此处为锶钌氧化物（strontium ruthenate）。使用含银环氧树脂将样品粘接到样品支架上。含银环氧树脂可确保良好的热接触和电接触。</li>
 <li>将铝制顶柱粘接至单晶表面。该顶柱将在超高真空条件下用于劈裂样品，以暴露出原子级洁净的表面。</li>
 <li>将样品支架安装至负荷锁中。</li>
</ol>
2. 实现超高真空与热隔离
<ol>
 <li>开始抽空负荷锁，以尽量减少对超高真空室的污染。</li>
 <li>监测压力。当压力达到约10-8 mbar时，将组件转移至预处理室，随后转移至主腔室。冷指和样品台经过特殊设计，以确保与氦储槽实现最佳的热接触。</li>
 <li>这些演示版本展示了如何通过使用锥形表面来增加接触面积以实现良好热接触。锥形表面相互压紧，并使用钛制螺母和螺栓将样品台与冷指牢固固定。</li>
</ol>
3. 样品的定位与冷却
<ol>
 <li>下一步是使用转移臂在冷指内沿方位角调整样品的方向。通过拧紧螺母来固定样品位置，同时使用连接在腔体另一侧的支撑臂施加反作用力。</li>
 <li>向上移动操纵器，使顶柱与支撑臂相互作用而断裂，从而劈开样品。</li>
 <li>在光束快门关闭的情况下，使用操纵器将样品移至光束线中的指定位置。样品就位后，确保低温屏蔽罩已正确关闭。</li>
 <li>启动对1-K容器的抽气，并循环氦-3气体，以将样品冷却至基底温度。温度传感器位于样品附近，实验过程中温度保持不变。</li>
 <li>打开光束线的光束快门。使用装置上的千分尺螺丝调节样品位置，使其位于分析器透镜的焦点处。此调节步骤至关重要。</li>
</ol>
4. 收集数据
<ol>
 <li>一旦装置准备就绪，切换至分析仪的角度分辨模式，并以扫描模式记录谱图。这将生成用于二维能量-角度图的数据。</li>
 <li>利用所获数据构建费米面图谱。选择对应于费米能级截面的极角，以研究钌酸锶的超导能隙。</li>
 <li>在选定的极角下，分别记录高于和低于钌酸锶超导转变温度的高分辨率谱图，以研究超导能隙的行为。</li>
</ol>

<ol><li>Borisenko, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((One-Sign+Order+Parameter+in+Iron+Based+Superconductor%5BTitle%5D)+AND+%22Symmetry%22%5BJournal%5D)">One-Sign Order Parameter in Iron Based Superconductor.</a> Symmetry. 4, 251-264 (2012).</li>
<li>Maeno, Y., Hashimoto, H., Yoshida, K., Nishizaki, S., Fujita, T., Bednorz, J. G., Lichtenberg, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superconductivity+in+a+layered+perovskite+without+copper%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+%28London%29%22%5BJournal%5D)">Superconductivity in a layered perovskite without copper.</a> Nature (London). 372, 532(1994).</li>
<li>Singh, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relationship+of+Sr2RuO4+to+the+superconducting+layered+cuprates%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Relationship of Sr2RuO4 to the superconducting layered cuprates.</a> Phys. Rev. B. 52, 1358(1995).</li>
<li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+and+bulk+electronic+structure+of+the+unconventional+superconductor+Sr2RuO4%3A+unusual+splitting+of+the+%CE%B2+band%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Surface and bulk electronic structure of the unconventional superconductor Sr2RuO4: unusual splitting of the β band.</a> New Journal of Physics. 14, 63039(2012).</li>
<li>Stöwe, K., Wagner, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Crystal+Structure+and+Calculated+Electronic+Band+Structure+of+ZrTe3%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Solid+State+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Crystal Structure and Calculated Electronic Band Structure of ZrTe3.</a> Journal of Solid State Chemistry. 138, 160-168 (1998).</li>
<li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Momentum+and+temperature+dependence+of+renormalization+effects+in+the+high-temperature+superconductor+YBa2Cu3O7-%CE%B4%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Momentum and temperature dependence of renormalization effects in the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7-δ.</a> Phys. Rev. B. 76, 064519(2007).</li>
<li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Disentangling+surface+and+bulk+photoemission+using+circularly+polarized+light%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Disentangling surface and bulk photoemission using circularly polarized light.</a> Phys. Rev. B. 76, 024502(2007).</li>
<li>Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Kim, T. K., Nenkov, K. A., Knupfer, M., Fink, J., Golden, M. S., Berger, H., Follath, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Origin+of+the+Peak-Dip-Hump+Line+Shape+in+the+Superconducting-State+%28%CF%80%2C0%29+Photoemission+Spectra+of+Bi2Sr2CaCu2O8%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Origin of the Peak-Dip-Hump Line Shape in the Superconducting-State (π,0) Photoemission Spectra of Bi2Sr2CaCu2O8.</a> Phys. Rev. Lett. 89, 077003(2002).</li>
<li>Inosov, D. S., Fink, J., Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Schuster, R., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., D?rr, H. A., Eberhardt, W., Hinkov, V., Keimer, B., Berger, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Momentum+and+Energy+Dependence+of+the+Anomalous+High-Energy+Dispersion+in+the+Electronic+Structure+of+High+Temperature+Superconductors%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Momentum and Energy Dependence of the Anomalous High-Energy Dispersion in the Electronic Structure of High Temperature Superconductors.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 237002(2007).</li>
<li>Inosov, D. S., Schuster, R., Kordyuk, A. A., Fink, J., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Evtushinsky, D. V., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., Berger, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Excitation+energy+map+of+high-energy+dispersion+anomalies+in+cuprates%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Excitation energy map of high-energy dispersion anomalies in cuprates.</a> Phys. Rev. B. 77, 212504(2008).</li>
<li>Hüfner, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aH%C3%BCfner%2C+S+%22Photoelectron+Spectroscopy%2C+Principles+and+Applications%22">Photoelectron Spectroscopy, Principles and Applications</a>. , 2nd Edition, Springer Verlag. Heidelberg. (1996).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

如上所述，该实现的方法在研究单晶的低能电子结构方面非常高效。近年来仪器的进步已将角分辨光电子能谱（ARPES）从一种单纯的表征和能带映射工具，发展为一种复杂的多体谱学技术。现代实验能够以前所未有的精度提供固体或纳米结构物中电子结构的信息。对于金属材料，可获取其费米面；对于半导体和绝缘体，则可测定其能隙、表面态、能带结构以及动量依赖的费米速度，从而在总体上表征其电子结构。与从头计算（ab-initio）结果的比较，可得出能带和费米速度的重整化效应，从而根据关联作用的强弱来判定材料的复杂程度。费米能级附近的精细结构通常提供了探测电子与其他自由度（如声子、等离激元、自旋涨落等）相互作用特征的可能。系统性的动量依赖研究能够识别主导的相互作用，并例如在超导体或密度波体系中明确配对媒介。更深入的研究涉及有序参量对称性的测定，从而为现有理论提供关键检验，或在基础层面上激发新的理论方法。
与所有实验方法一样，该方法也存在某些缺点。已知光电子在晶体内部会受到强烈散射，因而其非弹性平均自由程相对较短。因此，光电子的逸出深度可能非常小，仅相当于几个晶格常数。这使得该方法对表面具有高度敏感性，在某些情况下...

如今，角分辨光电子能谱（ARPES）被广泛用于确定固体的电子结构。通常，该方法的不同变体由激发电子所需的辐射源决定。我们使用同步辐射，因为它能够在很宽的能量范围内调节辐射的偏振和激发光子能量，并且具有高亮度、窄带宽（能量ħν的不确定性小），还可聚焦成细束，从而从几十微米大小的微区收集光电子。同步辐射是在电子储存环中产生的，通过使能量约为2 GeV**的电子在环中循环，并让其穿过由强磁体（称为波荡器）构成的周期性排列结构，磁场使电子发生偏转，而当这些高速电子改变运动方向时便会发射辐射。正是这种辐射随后被导入所谓的光束线，在光束线中通过衍射光栅进一步单色化，并由多个反射镜将其聚焦到样品表面。全球有许多此类设施。我们的实验终端位于柏林亥姆霍兹中心（Helmholtz-Zentrum Berlin）所属的BESSY储存环的一条光束线上。
该ARPES设施的核心是电子能量分析器（图1）。由于我们关注的是电子离开表面时的动能和角度，因此在一次测量中同时检测这两个参数非常方便。这一方法的实现基于一个非常简单的原理。就像在光学透镜的基本实验中，平面波被聚焦到后焦平面上的一个点，从而完成空间傅里叶变换一样，电子光学透镜也将以特定角度离开样品表面的电子投射到焦平面上的某一点图1从而获得倒易空间的访问权限， 即 动量，空间。在焦平面上，距离前向方向的距离对应于光电子的角度，从而对应于其动量。接下来需要对电子进行能量分析。为此，将半球形分析器的入口狭缝精确置于电子光学透镜的焦平面处。通过调节两个半球上的电压，使得只有具有特定动能（通过能量）的电子能够沿两个半球之间的中线通过，并落在二维探测器的中心线上；动能较高的电子将更靠近外侧半球的区域到达探测器；而动能较低的电子则会偏向内侧半球方向发生偏转。通过这种方式，可同时获得光发射强度随角度和动能变化的分布。
与现有方法相比，我们的方法的主要优势在于使用了 He3 冷冻操作器。在低温下进行测量至少有两个原因。材料的温度越高，其电子态在能量和动量空间中的展宽就越显著。为了高精度地确定电子结构，必须避免这种由温度引起的展宽效应。此外，许多物理性质具有温度依赖性，某些有序现象在低温下才会出现，而了解体系基态下的电子结构， 即 在 T=0 时，将样品冷却至开尔文的十分之几温度，最有效的方法之一是液化氦3 气体。在许多实验中，达到亚开尔文温度并不困难，因为热辐射——超低温的主要障碍——可以被有效屏蔽。然而，在光发射实验中情况并非如此。我们必须为入射光和出射电子提供自由通路。这一需求通过三个处于不同温度的辐射屏蔽层上特制的狭缝来实现。为了补偿由光子束和室温辐射带来的热负荷，低温恒温器的制冷功率必须非常高。这一点通过两台泵的极大抽速来实现，它们降低了液氦上方的蒸气压3，从而冷却冷指和样品。我们所用氦气的冷却设计参数3 该系统使其成为全球最强大的装置。它或许是地球上唯一能够通过室温窗口观察到1 K低温表面的地方，即“可见的最冷表面”。
现代光发射实验的示意图如图1所示。同步辐射光束（绿色虚线）照射在样品1 K低温表面上，激发出光电子。电子被投射到半球形分析器的入口狭缝，按角度（黄色、品红色和青色轨迹对应不同的倾斜角度）分离后，再按动能进行分析。图2展示了强度分布随倾斜角度和动能变化的典型情况。这种强度分布是符合预期的，因为与该材料的能带结构计算结果对比（右图）可以证实。这正是我们观察倒易空间的窗口。
通过扫描透镜和半球的电压，并围绕垂直轴（极角）旋转样品，我们可以以前所未有的细节探索广泛的结合能范围以及倒易空间的广大区域。特别是，将费米能级处的强度作为面内动量两个分量的函数进行绘图（这两个分量由倾斜角和极角计算得到），我们可直接获得费米面（FS）。
* 所谓“不确定度”，是指实验者对实验量与“真值”之间可能偏离程度的最佳估计。
** 低能环的能量可为约 0.8 GeV，高能环则可达 8 GeV。

<table><tbody><tr><td>ZrTe单晶&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt; 和 TiSe&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td></td><td></td><td>由洛桑联邦理工学院（EPFL）的 Helmut Berger 博士生长</td></tr><tr><td>Sr单晶&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;RuO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td></td><td></td><td>由 Antonio Vecchione 博士团队培育</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;样品&lt;/strong&gt;&lt;br/&gt; ZrTe&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;, TiSe&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;，Sr&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;RuO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td></tr></tbody></table>

超低温角分辨光电子能谱学

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

材料的物理性质由其电子结构决定。固体中的电子由能量（ω）和动量（k）以及在给定 ω 的情况下发现它们处于特定状态的概率 k 由谱函数 A(k，ω)。该函数可通过基于著名光电效应的实验直接测量，阿尔伯特·爱因斯坦因对该效应的解释而于1921年获得诺贝尔奖。在光电效应中，照射在表面的光会从材料中激发出电子。根据爱因斯坦的理论，若已知入射光子的能量和出射光电子的动能，便可依据能量守恒定律确定样品内部电子的能量。动量守恒定律还使得估算 k 通过测量光电子离开表面的角度，将其与光电子的动量关联起来。该技术的现代形式称为角分辨光电子能谱（Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES），利用两条守恒定律来确定电子结构。 即 固体中电子的能量与动量。为了揭示凝聚态物理领域关键问题所依赖的细节，需要最小化三个量：光子能量的不确定度、光电子动能的不确定度以及样品温度。
在本方法中，我们结合了同步辐射、表面科学和低温技术领域的三项最新进展。我们采用具有可调光子能量的同步辐射，其能量不确定度在1 meV量级；使用电子能量分析仪，其动能检测精度也在1 meV量级；同时采用He3低温恒温器，使样品温度可保持在1 K以下。我们讨论了在Sr2RuO4单晶及其他一些材料上获得的代表性结果。该材料的电子结构可被以前所未有的清晰度确定。

我们的实验装置具有极低的温度，结合高分辨率的光束线和分析仪，能够以极高的整体分辨率记录光谱。这一点在图3中得到了展示。通常用于检验能量分辨率的方法是测量金属费米边沿的宽度。在本例中，使用的是 freshly evaporated indium film（新鲜蒸镀的铟膜）。用于精确描述该边沿的高斯函数（与阶跃函数卷积后）的半高全宽（FWHM）约为 2 meV。对于固体低能电子结构的细致研究而言，更重要的是具有色散特征的角分辨谱。中间面板的图3展示了这样一个实例：在铁基超导体 LiFeAs1 中观察到一个非常尖锐的超导峰，这是 ARPES 有史以来探测到的最尖锐的特征之一。动量分辨率方面同样如此。0.23° 的 FWHM 是电子能量分析仪宽角模式下的记录值。该系统的设计目标是结合三项突破：光束线 1 meV 的带宽、分析仪 1 meV 的分辨率以及样品 1 K 的温度。这一目标使我们的系统得名为“1-cubed ARPES”（立方一 ARPES）。如果这三个部分的贡献均达到最小化，则预期 FWHM 约为 1.4 meV。我们目前的测量结果表明，可实现约...

该方法的总体目标是利用同步辐射角分辨光电子能谱技术，在超低温条件下测定固体的低能电子结构。

材料的物理性质由其电子结构决定。固体中的电子以能量（&omega;）和动量表征……

以下实验的总体目标是利用同步辐射的角分辨光电子能谱（arpes）在超低温下测定固体的低能电子结构。在同步辐射装置中，连接至光束线的超高真空腔室内，首先对所研究材料的单晶进行解理，暴露出原子级洁净的表面。随后将样品冷却至1开尔文以下，以确保温度展宽最小，并使样品尽可能接近其基态。接下来，记录光发射强度随倾斜角、角度、能量以及静态几何构型的变化。通过旋转样品，可以从动量-能量空间的大部分区域收集信息，从而获得费米面图谱以及费米能级附近的能带色散关系。实验结果表明，复杂材料的低能电子结构可以以前所未有的清晰度和分辨率被确定。利用氦-3低温操纵器和基于同步辐射的角分辨光电子能谱技术，该发射光谱方法基于一百多年前发现并解释的简单光电效应。如今，我们利用该技术以极高的精度测定固体的电子结构。在本方法中，我们采用了同步辐射、表面科学和低温学领域的三项最新成果。我们采用可调谐的光电子能谱图像，其能量精度达到1毫电子伏特。我们对光电子动能的测量不确定度为1毫电子伏特，而更为重要的是，我们使用了氦-3低温恒温器，可使样品温度保持在1开尔文以下。由于这三个因素，我们将该系统称为“one cube”。我们使用了一种专门设计的氦-3低温恒温器，它为入射光和出射电子提供了自由通路。我们系统的结构设计使其成为目前世界上最强大的系统。利用该系统，可以通过室温窗口观察到单列原子尺度下的表面结构。利用该技术和该实验装置，我们可以解答电子系统领域中的关键问题。特别是对于超导性研究，我们能够确定其他参数的结构，从而揭示驱动该现象的本质因素。本实验使用了由柏林亥姆霍尔兹中心（Helmholtz-Zentrum Berlin）的Bessy储存环产生的同步辐射。光子通过光束线传输至我们的终端站，在此处安装样品。首先使用待研究材料的单晶。STR 使用银基环氧树脂将样品粘接到样品 holder 上。基于银的环氧树脂可确保良好的热接触和电接触胶合效果。将铝制顶部触点连接至单晶表面。该顶部触点将在超高真空中用于劈裂样品，以暴露出解理清洁的表面。将样品安装在负载锁中的样品托上，开始抽空负载锁，以尽量减少对超高真空腔室的污染。监测压力。当压力达到约10的负8次方毫巴时，将组件转移至制备腔室，随后转移至主腔室。冷指和样品台经过特殊设计，以确保与氦罐实现最佳的热接触。这些演示版本展示了如何利用锥形表面来增加接触面积以实现此目的。锥形表面相互压紧，并使用钛制螺母和螺栓将样品架和冷指牢固固定。如本演示装置所示，转移系统经过设计，以尽量减少与组件的热接触。这是通过使用带有多个开口的细钛管作为组件的主要承载元件来实现的。在转移臂的末端，组件内部采用一个由弹簧驱动的螺丝刀来调节样品的角度位置。下一步是使用转移臂将样品在冷指中沿方位角进行定向。通过拧紧螺母来固定样品位置，同时使用安装在腔室对侧的支撑臂施加反作用力。向上移动操纵器以

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