自旋角分辨光电子光谱与偏振变激光相结合的实验方法

自旋和角度分辨光电子能谱，即所谓的 SARPES，是一种研究固态电子结构（包括其自旋信息）的强大技术。在我们的方法中，我们将这项技术与偏振可变 7-eV 激光器相结合，这使我们能够非常精确地确定电子自旋结构。SARPES 通常使用同步辐射或惰性气体放电灯进行。

与这种方法相比，使用偏振可变 7-eV 激光器是一个很大的改进。使用波片可以很容易地控制激光束的偏振。利用这一特性，我们可以完全追踪对光偏振敏感的电子自旋的行为。

光电子自旋反应取决于光偏振。这显示了许多物理含义，例如自旋轨道耦合和自旋干涉。因此，我们的技术可以逐渐用于研究凝聚态物理学。

首先，切割硒化铋的单晶样品，并使用银基环氧树脂将它们粘合到样品架上。环氧树脂固化后，将一块透明胶带放在样品表面。然后，将样品库转移到超高真空负载锁中并启动泵，直到负载锁的压力低于 1 倍 10 至负 5 帕斯卡。

接下来，打开负载锁和制备室之间的超高真空阀，并使用连接到负载锁室的馈通机构将样品库从负载锁移动到制备室。现在，使用传输杆从样品架中取出样品，然后将样品架放回负载锁中并关闭超高真空阀。等到制备室的压力低于 5 乘以 10 至负 7 帕斯卡，然后使用制备室中的摇摆棒将透明胶带从硒化铋表面剥离。

这将裂解样品，产生原子干净的表面。将样品转移到 UHV 测量室。在那里，使用螺丝刀将样品固定到主 gonio 载物台。

然后，将载物台移动到测量位置，并使用千分尺载物台将样品精确定位到光谱仪的焦点上。接下来，打开掺钕正钒酸盐激光器，让它预热 10 到 15 分钟。打开激光束快门，确保激光穿过氟硼酸钾铍晶体，产生 177 纳米的二次谐波。

通过使用可变衰减器改变 355 纳米激光器的功率，优化 7 电子伏特激光器的功率。首先，打开分析仪控制软件。在序列菜单中，选择设置，然后在列表中选择 ARPES 配置和 ARPES 映射，以使用光电子偏转器执行费米表面映射。

单击编辑，并配置费米表面映射，使发射角范围为 12 度到 12 度，步长为 0.5 度，步长为 49。设置完成后，返回序列菜单并选择 run.半球形分析仪有一个电子偏转器，使我们能够在不旋转样品的情况下绘制费米表面。

手动更改自旋和角度分辨光电子分辨光谱测量的机器设置。这包括更改分析仪入口狭缝和孔径大小。在软件中，选择 setup 并选择 spin configuration， 和 normal 从选项列表中，然后单击 okay。

接下来，在菜单栏上选择 DA30 并导航到控制 theta。这将打开 DA30 角度配置的设置面板。在面板中，选择 theta x 的发射角度为负 6 度，选择 theta y 的发射角度为 0 度。

然后，使用命令提示符通过控制双极电容器组来施加磁场。这将沿 x、y 或 z 轴的位置方向磁化 V 引线的目标。设置完成后，单击 run（运行）以获取强度光谱。

接下来，施加磁场沿轴沿负方向磁化 V 型引线目标，并运行扫描以获取另一个强度光谱。完成后，计算自旋极化和自旋分辨光谱。使用命令提示符，为步进电机提供动力，以精确改变半波片的角度，以调整 7 电子伏特激光器的光偏振。

然后，获取 x、y 和 z 轴每个轴的自旋分辨光谱。扫描自旋分辨光谱作为光偏振的函数，同时以 3 度的步长将半波片角度从 0 度变为 102 度。硒化铋是一种具有自旋极化表面状态的原型拓扑绝缘体。

获得的硒化铋表面状态的费米表面图显示了一个几乎圆形的形状。然后，沿高对称线执行带映射。它显示了 X 形能量色散，即所谓的狄拉克锥。

从这些结果中，现在可以为 SARPES 实验选择特定的发射角度。当 theta x 等于负 6 度，θ y 等于表面带的负 kF 上零度时，不同磁化方向的能量分布曲线，在费米能附近达到峰值强度。两个光谱中的强度在峰附近不同。

根据它们强度之间的差异，可以计算出自旋极化是能量和自旋分辨光谱的函数。显然，上旋谱具有峰结构，但下旋谱相对平坦。这反映了几乎 100% 的自旋极化。

当对不同的轴和不同的光偏振进行相同的测量时，电子的自旋方向及其偏振依赖性清晰可见。对于 p 极化，数据清楚地显示仅沿 y 方向的正 100% 自旋极化，而沿 x 和 z 方向没有自旋极化。有趣的是，当人们将光偏振从 p 切换到 s 时，对于没有 x 和 z 自旋分量的 s 偏振，自旋偏振的符号也切换到负 100%。

由于完整的自旋信息，电子的自旋旋转在三维空间中完全解开。我们已经证明了 SARPES 与偏振可变激光器一起启动硒化铋自旋偏振态的能力。这使我们能够直接可视化电子自旋及其变化，作为光偏振的函数。

这种技术可以很容易地应用于许多其他物理系统。我们的实验表明，即使光场的微小变化也确实可以在三维中重新修改光电子自旋。样品的照明方式非常重要。

必须注意实验几何才能正确理解数据。