Methodenartikel

Experimentelle Methoden für Spin - und Winkel-Resolved Photoemission Spectroscopy kombiniert mit Polarisation-Variable Laser

DOI:

10.3791/57090

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28. Juni 2018

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Hier kombinieren wir Polarisation-Variable 7-eV Laser mit Spin und Winkel gelöst fotoemission Technik, die Spin-Orbital Kupplung Wirkung in Festkörpern zu visualisieren.

Zusammenfassung

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Das Ziel dieses Protokolls ist zu präsentieren wie Spin und Winkel gelöst fotoemission Spektroskopie kombiniert mit Polarisation-Variable 7-eV Laser (Laser-SARPES) durchgeführt, und eine Leistung von dieser Technik für das Studium der Festkörperphysik zu demonstrieren. Laser-SARPES erreicht zwei große Fähigkeiten. Erstens kann durch die Untersuchung orbital Auswahlregel linear polarisierten Laser, orbital selektive Anregung in SAPRES Experiment durchgeführt werden. Zweitens kann die Technik umfassend eine Variation der Quanten Drehachse in Abhängigkeit von der Lichtpolarisation zeigen. Um die Leistungsfähigkeit der Zusammenarbeit dieser Funktionen in Laser-SARPES demonstrieren, wenden wir diese Technik für die Untersuchungen der Spin-Bahn-Verbindung Oberfläche Staaten Bi2Se3. Diese Technik bietet, Spin und Orbital-Komponenten aus der Spin-Bahn-Verbindung-Wellenfunktionen zu zerlegen. Darüber, wie ein repräsentative Vorteil bei der Verwendung der direkten Spin-Erkennung mit der Polarisation-Variable Laser zusammenarbeitete, visualisiert die Technik eindeutig die Lichtpolarisation Abhängigkeit der Quanten Drehachse in drei Dimension. Laser-SARPES steigt dramatisch an eine Fähigkeit der Photonenemission Technik.

Einleitung

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Winkel gelöst fotoemission Spektroskopie (ARPES) Technik entwickelte sich zu einer der mächtigsten Werkzeug Bandstrukturen Quasiteilchen in Festkörpern1zu untersuchen. Die meisten von attraktive Eigenschaft der ARPES ist die Fähigkeit zur Band-Mapping, um elektronische Staaten im Energie- und Impulserhaltung Raum charakterisieren. Spin-resolved ARPES (SARPES), die hier mit Spin-Detektoren, z.B.ausgestattet ist. Mott-Detektor2,3, weitere ermöglicht es uns, den Spin-Charakter der beobachteten Band Strukturen4zu lösen. Da der Mott-Detektor die Spin mit zwei Achsen (X und Zoder y und Z) messen kann, ermöglicht die Kombination der beiden Mott Detektoren weiter Spin-Orientierung in drei Dimensionen4,5 zu erhalten . Seit mehreren Jahrzehnten jedoch die SARPES Experimente waren litt ihre geringe Effizienz (in der Regel 1/10000 im Vergleich dazu für Spin-integrierte ARPES Messung)3,4,5,6 ,7, die die Energie und eckige Auflösung begrenzt hatte. Vor kurzem wurde die Energieauflösung von SARPES mit einem hocheffizienten Spin-Detektor basierend auf Exchange-Streuung, die so genannte sehr-niedrig-Energie-Elektronenbeugung (VLEED) Detektor7,8,9 erhöht ,10. Mit diesem Detektor die Datenqualität wurde deutlich verbessert und die Daten Akquisition verkürzt. Vor kurzem gelungen, SARPES stark um Spin-polarisierten elektronische Staaten und vor allem Spin-Bahn Kopplung Effekts in der Spin-Textur der Oberfläche Bands7zu beheben.

Hier beschäftigen wir SARPES Messungen mit einer Polarisation-Variable Vakuum-Ultraviolett laser-Licht (Laser-SARPES) und die großen Vorteile dieser kombinierten Technik zu demonstrieren. Durch die Untersuchung auf die Spin-Bahn-Verbindung Oberfläche Staaten Bi2Se3präsentieren wir Ihnen zwei Möglichkeiten der Laser-SARPES. Erstens wegen der orbital Auswahlregel linear polarisierten Laser in Dipol Übergang Regime, p- und s-polarisiertes Licht selektiv begeistern einen Teil des Eigen-Wellenfunktionen mit verschiedenen orbitalen Symmetrie. Solch eine orbitale selektive Anregung gibt es dabei in SARPES, nämlich Orbital-selektive SARPES. Zweitens, dreidimensionale (3D) Spin-Erfassung in SARPES zeigt die Richtung der Drehachse Quanten und direkt zeigt vollständige Informationen über die Licht-Polarisation-Abhängigkeit. In diesem Protokoll beschreiben wir kurz eine Methodik um diese State-of-the-Art Laser-SARPES Technik um die starken Spin-Bahn Kopplung Auswirkungen zu studieren.

Unsere Laser-SARPES-System befindet sich am Institut für Festkörperphysik, The University of Tokyo11. Die schematische Zeichnung unserer Laser-SAPRES-Maschine ist in Abbildung 1dargestellt. Die Polarisation-Variable 7-eV Laser Licht12 erhellt die Probenoberfläche und der Photoelektronen werden aus der Probe abgegeben. Die Polarisation der Laser automatisch gesteuert MgF2- basierte λ/2- und λ/4-wellenplatten, lineare und zirkularen Polarisationen selektiv zu verwenden. Eine halbkugelförmige Elektron-Analysator korrigiert die Photoelektronen und analysiert ihre kinetische Energie (EKin) und Emissionswinkel (θX und θy). Die Photoelektronen Intensitäten werden auf der EKin-θX Bildschirm überwacht von einer CCD-Kamera abgebildet. Dieses Bild wird direkt in die Energie-Bandstruktur im reziproken Raum umgewandelt.

Für SARPES Messung der Photoelektronen mit einem bestimmten Abstrahlwinkel und die kinetische Energie von den Elektronen-Analyzer analysiert orientieren sich an zwei VLEED-Typ-Spin-Detektoren mit einem 90-Grad-Photoelektronen-Deflektor und Photoelektronen Balken konzentrieren sich auf zwei verschiedene Ziele der Fe(001) -p(1 × 1) Filme von Sauerstoff gekündigt. Die Photoelektronen reflektierten die Ziele werden in einzelne Kanalerkennung erkannt, mithilfe einer Channeltrons in jeder Spin-Detektor gelegt. Die VLEED Ziele können mit Helmholtz-Typ elektrische Spulen magnetisiert werden, die mit orthogonalen Geometrie zueinander angeordnet sind. Die Magnetisierungsrichtung der bipolaren Kondensator-Bank gesteuert. Die doppelte VLEED Spin-Detektoren ermöglichen dabei den Spinpolarisation Vektor der Photoelektronen in drei Dimensionen zu analysieren.

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Protokoll

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1. Probe Montage und Installation

  1. Einkristall Proben von Bi2Se313 in eine ungefähre Größe von 1 × 1 × 0,5 mm geschnitten3 und Nutzung Splitter-basierte Epoxy, die Probe der Probenhalter zu kleben.
  2. Fügen Sie das Klebeband auf der Probenoberfläche.
    Hinweis: Das tesaband dient zum Spalten der Probe in ultrahigh Vakuumkammer (UHV) eine atomar saubere Oberfläche zu erhalten.
  3. Installieren Sie des Beispiels in die Probe Magazin in die Last-Sperre, und starten Sie die Pumpe, bis der Druck des Schlosses Last niedriger als 1 × 10-5 PA.

2. Beispiel Spalten

  1. Öffnen Sie das UHV-Ventil zwischen der Last-Schloss und der UHV-Vorbereitung-Kammer.
  2. Verschieben Sie das Probe-Magazin aus dem Last-Felsen Vorbereitung Kammer mithilfe der linearen/Rotary Durchführung die Schleusenkammer Last befestigt ist.
  3. Abholen der Probe aus der Probe Magazin von der Transfer-Rod an der Vorbereitung Kammer angebracht.
  4. Wieder das Beispiel Magazin ins Last Schloss und schließen Sie UHV Ventil.
  5. Warten Sie, bis der Druck der Vorbereitung Kammer unterhalb 5 × 10-7 PA.
  6. Schälen Sie das tesaband Wobble Stick in der Vorbereitung-Kammer mit und Spalten Sie die Probe unter der UHV-Bedingung.

(3) Probentransfer, die Messposition

  1. Übertragen Sie die Probe auf die UHV-Messkammer, und beheben Sie die Probe Gonio-Hauptbühne durch den Schraubenzieher mit der Messkammer ausgestattet.
  2. Verschieben Sie die Gonio-Phase, die Messposition und genau Probenposition auf den Schwerpunkt des Spektrometers verschieben mithilfe der Mikrometer-Bühne.

4. 7eV-Laser-Setup

  1. Schalten Sie die Nd:YVO4-Laser.
    Hinweis: Der Laser erzeugt 355 nm Laserlicht mit einer hohen Wiederholungsrate von 120 MHz.
  2. Den Laser-Strahl-Verschluss zu öffnen, und sicherstellen, dass der Laser die KBBF Kristall und eine zweite harmonische Welle von 177 durchläuft nm (6,994 eV) generiert.
  3. Optimieren Sie die Leistung des 7eV-Lasers durch eine Änderung der Leistung des Lasers mit der Variable Abschwächer 355 nm.

5. ARPES Datenerfassung

  1. Die Analysator Steuerungssoftware auf dem Desktop-Computer zu öffnen.
    Hinweis: Wir verwenden "SES-Software", die ein allgemeines Programm für steuernde ScientaOmicron Analyzer mit einem Elektron-Deflektor ist.
  2. Wählen Sie Setup... unter Sequenz im Menü bar (Bild 2, Schritt i. 2-1).
  3. Wählen Sie ARPES Konfiguration (Abbildung 3, Schritt i. 3-1) und ARPES Mapping in der Liste (Abbildung 3, Schritt i. 3-2) zur Durchführung Fermi Oberfläche Zuordnung mit dem Photoelektronen-Deflektor.
  4. Klicken Sie auf Bearbeiten (Abbildung 3, Schritt i. 3-3) und konfigurieren Sie Fermi Oberfläche Zuordnung von-12 ° bis 12 ° ein Emissionswinkel θy mit Schrittweite von 0,5 ° (Abbildung 3, Schritt i. 3-4).
    Hinweis: Der halbkugelförmige Analyzer mit einem Elektron-Deflektor ermöglicht uns die Fermi Oberfläche ohne die Probe Rotationen zuordnen.
  5. Klicken Sie auf Ausführen (Abbildung 2, Schritt i. 2-3).

6. SARPES Datenerfassung

  1. Manuell ändern der Maschineneinstellung zur SARPES Messung einschließlich der Analysator Einlauföffnung und Maschenweite (Abbildung 1).
  2. Wählen Sie Setup... unter Sequenz im Menü bar (Bild 2, Schritt i. 2-2).
  3. Wählen Sie Konfiguration drehen (Abbildung 4, Schritt i. 4-1) und Normal in der Liste (Abbildung 4, Schritt i. 4-2), und klicken Sie auf "OK" (Abbildung 4, Schritt i. 4-3).
  4. DA30 (Abbildung 5, Schritt i. 5-1) auf die Menüleiste und Kontrolle Thetaauswählen... (Abbildung 5, Schritt i. 5-2) um die Einstellung für die DA30 Winkel (θX, θy) Konfiguration zu öffnen.
  5. Wählen Sie den Emissionswinkel (θX, θy) = (-6 °, 0 ° c) zu SARPES Spektren (Abbildung 5, Schritt i. 5-3).
  6. Magnetisches Feld durch die Kontrolle der bipolaren Kondensator-Bank um das VLEED Ziel in positiver Richtung entlang der bestimmten Achse magnetisieren gelten (α: X, yoder Z).
    Hinweis: In unserem System kann dieser Prozess über Eingabeaufforderung [Abb. 6 (a)] erfolgen.
  7. Klicken Sie auf Ausführen , um Intensität Spektrum (Abbildung 2, Schritt i. 2-3) zu nehmen.
  8. Legen Sie Magnetfeld um das VLEED Ziel in negativer Richtung entlang α zu magnetisieren und Scan Intensität Spektrum zu starten.
  9. Berechnen der Spinpolarisation und die Spin-gelöst-Spektren.

7. Scannen die Lichtpolarisation Abhängigkeit

  1. Ändern Sie den Winkel der λ/2-Waveplate exakt gesteuert durch die Schrittmotor Tune die Lichtpolarisation des 7 eV-Lasers.
    Hinweis: In unserem System kann dieser Prozess über Eingabeaufforderung [Abb. 6 (b)] erfolgen.
  2. Nehmen Sie die Drehung gelöst Spektren für X, y und Z -Achsen.
  3. Scannen Sie die Drehung gelöst Spektren als Funktion der Lichtpolarisation mit den halben Waveplate Winkel von 0° bis 102° mit Schrittweite von 3°.

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Ergebnisse

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Bevor Sie beginnen SARPES Experimente, müssen k Positionen genau bestimmt werden, für die Aufnahme von Spin gelöst Spektrum mit hohen statistischen Spin-integrierte ARPES Ergebnisse mit hoher Energie - und kantig-Auflösungen (Protokoll 5.1-5.5). Dies wird in Abbildung 7 gezeigt, wo die ARPES Ergebnisse für eine Bi-2Se3 Einkristall vorgestellt werden. Dieses Material ist als prototypische topologischer Isolator mit einem Spin-pol...

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Diskussion

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ARPES und SARPES Techniken wurden häufig verwendet für das Studium der elektronischen Bandstrukturen durch die Zuordnung von Band und Spin-Erkennung1,2. Neben diesen allgemeinen Vorteilen, die oben gezeigt kann Laser-SARPES basierend auf orbital Auswahlregel in optischen Dipol Erregung als eine neuartige Technik zur Visualisierung des Spin-Orbital-Kupplung-Effekts in der Wellenfunktion und Quantum Spin Eingriff eingesetzt werden . Wie in Abbi...

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

Danksagungen

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Wir bedanken uns bei M. Nakayama, S. Toyohisa, A. Fukushima und Y. Ishida für unterstützt, den Versuchsaufbau. Wir dankbar anerkennen, Finanzierung von JSPS Grantin-Hilfe für wissenschaftliche Forschung (B) durch Projekt Nr. 26287061 und für junge Wissenschaftler (B) durch Projekt Nr. 15K 17675. Diese Arbeit wurde auch unterstützt durch MEXT of Japan (innovativer Bereich "topologische Werkstoffwissenschaft," gewähren Nr. 16 H 00979) und JSPS KAKENHI (Grant Nr. 16 H 02209)

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
DA30-L hemisphärischer AnalysatorScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
Epoxidharz auf SilberbasisEpoxidharz TechnologieH20E
Sctoch Band3M801-1-18C
UHV-VentilVAT01034-KE01
Linear-/DrehdurchführungFerrovacMD40
Transfer RodUHV DesignPP Serie
Wobble StickFerrovacWM40
Paladin Compact 355Coherent
HalbwellenplatteKogakugikenBestellung
Bipolare KondensatorbankTsuji Elektronik

Referenzen

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

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