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

spin- und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie, die sogenannte SARPES, ist eine leistungsfähige Technik zur Untersuchung von Festkörperelektronenstrukturen einschließlich ihrer Spininformationen. In unserer Methode haben wir diese Technik mit dem polarisationsvariablen 7-eV-Laser kombiniert, der es uns ermöglichte, die Spinstrukturen der Elektronen sehr genau zu bestimmen. SARPES wurde in der Regel mit Synchrotronstrahlung oder Edelgasentladungslampe durchgeführt.

Im Vergleich zu dieser Methode ist die Verwendung eines polarisationsvariablen 7-eV-Lasers eine große Verbesserung. Die Polarisation mit dem Laserstrahl kann einfach über die Wellenplatte gesteuert werden. Mit dieser Eigenschaft können wir das Verhalten des Elektronenspins, der empfindlich auf die Lichtpolarisation reagiert, vollständig verfolgen.

Die Photoelektronen-Spin-Reaktion hängt von der Lichtpolarisation ab. Und das zeigt viele physikalische Bedeutungen, wie z.B. Spin-Bahn-Kopplung und Spin-Interferenz. Aus diesem Grund kann unsere Technik nach und nach für das Studium der Physik der kondensierten Materie eingesetzt werden.

Schneiden Sie zunächst einkristalline Proben aus Wismutselenid und kleben Sie sie mit einem Epoxidharz auf Silberbasis auf einen Probenhalter. Sobald das Epoxidharz ausgehärtet ist, legen Sie ein Stück Klebeband auf die Oberfläche der Proben. Übertragen Sie dann das Probenmagazin in die Ultrahochvakuum-Lastschleuse und starten Sie die Pumpe, bis der Druck der Lastschleuse niedriger als eins mal zehn bis minus fünf Pascal ist.

Öffnen Sie anschließend das Ultrahochvakuumventil zwischen der Schleuse und der Vorbereitungskammer und bewegen Sie das Probenmagazin mit Hilfe des an der Schleusenkammer angebrachten Durchführungsmechanismus von der Schleuse in die Vorbereitungskammer. Nehmen Sie nun mit einer Transferstange die Probe aus dem Probenmagazin auf, setzen Sie das Probenmagazin wieder in die Lastschleuse ein und schließen Sie das Ultrahochvakuumventil. Warten Sie, bis der Druck der Präparationskammer unter fünf mal zehn bis minus sieben Pascal liegt, und ziehen Sie dann das Klebeband mit dem Wackelstab in der Präparationskammer von der Oberfläche des Wismutselenids ab.

Dadurch wird die Probe gespalten, wodurch eine atomar saubere Oberfläche entsteht. Übertragen Sie die Probe in die UHV-Messkammer. Befestigen Sie dort die Probe mit einem Schraubendreher an der Hauptgoniostufe.

Bewegen Sie dann den Tisch in die Messposition und verwenden Sie einen Mikrometertisch, um die Probe präzise auf den Fokus des Spektrometers zu positionieren. Schalten Sie als Nächstes den Neodym-dotierten Yttriumorthovanadat-Laser ein und lassen Sie ihn zehn bis 15 Minuten lang aufwärmen. Öffnen Sie den Laserstrahlverschluss und stellen Sie sicher, dass der Laser einen Kalium-Berylliumfluoroborat-Kristall durchdringt, um eine zweite harmonische Welle von 177 Nanometern zu erzeugen.

Optimieren Sie die Leistung des Sieben-Elektronenvolt-Lasers, indem Sie die Leistung des 355-Nanometer-Lasers mit einem variablen Abschwächer ändern. Öffnen Sie zunächst die Steuerungssoftware des Analysators. Wählen Sie im Sequenzmenü Setup und dann ARPES-Konfiguration und ARPES-Mapping in der Liste aus, um ein Fermi-Oberflächenmapping mit dem Photoelektronendeflektor durchzuführen.

Klicken Sie auf Bearbeiten und konfigurieren Sie das Fermi-Oberflächenmapping so, dass der Emissionswinkel von 12 Grad bis 12 Grad mit einer Schrittweite von 0,5 Grad und 49 für die Anzahl der Schritte reicht. Kehren Sie nach dem Festlegen in das Sequenzmenü zurück und wählen Sie Ausführen. Der hemisphärische Analysator verfügt über einen Elektronendeflektor, der es uns ermöglicht, die Fermi-Oberfläche zu kartieren, ohne die Probe zu drehen.

Ändern Sie manuell die Geräteeinrichtung für die spin- und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie-Messung. Dazu gehört die Änderung sowohl des Eingangsschlitzes des Analysators als auch der Blendengröße. Wählen Sie in der Software Setup und wählen Sie Spin-Konfiguration und Normal aus der Liste der Optionen und klicken Sie auf OK.

Wählen Sie als Nächstes DA30 in der Menüleiste aus und navigieren Sie zu Control Theta. Dadurch wird das Einstellungsfenster für die DA30-Winkelkonfiguration geöffnet. Wählen Sie im Bedienfeld den Emissionswinkel für Theta x auf minus sechs Grad und für Theta y auf null Grad.

Verwenden Sie dann eine Eingabeaufforderung, um das Magnetfeld anzuwenden, indem Sie die bipolare Kondensatorbank steuern. Dadurch wird das Ziel der V-Leitung in Positionsrichtung entlang der x-, y- oder z-Achse magnetisiert. Klicken Sie nach dem Einstellen auf Run, um das Intensitätsspektrum zu übernehmen.

Legen Sie als Nächstes ein Magnetfeld an, um das V-Lead-Ziel in negativer Richtung entlang der Achse zu magnetisieren, und führen Sie den Scan aus, um ein weiteres Intensitätsspektrum aufzunehmen. Wenn Sie fertig sind, berechnen Sie die Spinpolarisation und die spinaufgelösten Spektren. Schalten Sie den Schrittmotor über die Eingabeaufforderung ein, um den Winkel der Halbwellenplatte präzise zu ändern und so die Lichtpolarisation des Sieben-Elektronenvolt-Lasers abzustimmen.

Nehmen Sie dann die spinaufgelösten Spektren für jede der x-, y- und z-Achsen. Scannen Sie die spinaufgelösten Spektren in Abhängigkeit von der Lichtpolarisation, während Sie den halben Wellenplattenwinkel von null Grad bis 102 Grad mit der Schrittweite von drei Grad variieren. Wismutselenid ist ein prototypischer topologischer Isolator mit spinpolarisierten Oberflächenzuständen.

Die erhaltene Fermi-Oberflächenkarte des Oberflächenzustands in Wismutselenid zeigt eine fast kreisförmige Form. Führen Sie dann ein Band-Mapping entlang der hohen Symmetrielinie durch. Er zeigt die X-förmige Energiedispersion, den sogenannten Dirac-Kegel.

Aus diesen Ergebnissen kann man nun den spezifischen Emissionswinkel für das SARPES-Experiment auswählen. Wenn man ein Theta x gleich minus sechs Grad und Theta y gleich null Grad über minus kF des Oberflächenbandes nimmt, sind die Energieverteilungskurven für verschiedene Magnetisierungsrichtungen und erreichen ihren Intensitätshöhepunkt in der Nähe der Fermi-Energie. Die Intensitäten in den beiden Spektren sind in der Nähe des Peaks unterschiedlich.

Aus der Differenz zwischen ihren Intensitäten kann man die Spinpolarisation in Abhängigkeit von der Energie und den spinaufgelösten Spektren berechnen. Anscheinend hat das Up-Spin-Spektrum eine Peak-Struktur, aber die Down-Spin-Spektren sind relativ flach. Dies spiegelt die nahezu 100%ige Spin-Polarisation wider.

Wenn die gleiche Messung für eine andere Achse und mit unterschiedlicher Lichtpolarisation durchgeführt wird, sind die Spinrichtung der Elektronen und ihre Polarisationsabhängigkeit deutlich sichtbar. Für die p-Polarisation zeigen die Daten deutlich die positive 100%-Spin-Polarisation nur entlang y und es gibt keine Spin-Polarisation entlang der x- und z-Richtung. Interessanterweise schaltet man beim Umschalten der Lichtpolarisation von p auf s auch das Vorzeichen der Spinpolarisation auf die negativen 100% für die s-Polarisation ohne x- und z-Spin-Komponente.

Als Folge der vollständigen Spininformation wird die Spinrotation des Elektrons in drei Dimensionen vollständig enträtselt. Wir haben die Leistungsfähigkeit des SARPES mit dem polarisationsvariablen Laser für den Start des spinpolarisierten Zustands von Wismutselenid demonstriert. Dies ermöglicht es uns, den Elektronenspin und seine Variationen als Funktion der Lichtpolarisationen direkt sichtbar zu machen.

Diese Technik kann problemlos auf viele andere physikalische Systeme angewendet werden. Unser Experiment zeigt, dass selbst kleine Änderungen in den Lichtfeldern den Photoelektronenspin tatsächlich dreidimensional verändern können. Die Art und Weise, wie die Probe beleuchtet wird, ist sehr wichtig.

Man muss sich um die experimentelle Geometrie kümmern, um die Daten richtig zu verstehen.