Name: Experimentelle Methoden für Spin - und Winkel-Resolved Photoemission Spectroscopy kombiniert mit Polarisation-Variable Laser (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Erfahren Sie, wie SARPES mit einem polarisationsvariablen 7-eV-Laser Spin-Orbit-Kopplungseffekte in Festkörpern präzise untersucht. Diese Methode ermöglicht die genaue Bestimmung von Elektronenspinstrukturen.

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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)

1. Probe Montage und Installation
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>2. Beispiel Spalten
<ol><li>Öffnen Sie das UHV-Ventil zwischen der Last-Schloss und der UHV-Vorbereitung-Kammer.</li>
	<li>Verschieben Sie das Probe-Magazin aus dem Last-Felsen Vorbereitung Kammer mithilfe der linearen/Rotary Durchführung die Schleusenkammer Last befestigt ist.</li>
	<li>Abholen der Probe aus der Probe Magazin von der Transfer-Rod an der Vorbereitung Kammer angebracht.</li>
	<li>Wieder das Beispiel Magazin ins Last Schloss und schließen Sie UHV Ventil.</li>
	<li>Warten Sie, bis der Druck der Vorbereitung Kammer unterhalb 5 × 10-7 PA.</li>
	<li>Schälen Sie das tesaband Wobble Stick in der Vorbereitung-Kammer mit und Spalten Sie die Probe unter der UHV-Bedingung.</li>
</ol>(3) Probentransfer, die Messposition
<ol><li>Übertragen Sie die Probe auf die UHV-Messkammer, und beheben Sie die Probe Gonio-Hauptbühne durch den Schraubenzieher mit der Messkammer ausgestattet.</li>
	<li>Verschieben Sie die Gonio-Phase, die Messposition und genau Probenposition auf den Schwerpunkt des Spektrometers verschieben mithilfe der Mikrometer-Bühne.</li>
</ol>4. 7eV-Laser-Setup
<ol><li>Schalten Sie die Nd:YVO4-Laser. Hinweis: Der Laser erzeugt 355 nm Laserlicht mit einer hohen Wiederholungsrate von 120 MHz.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Optimieren Sie die Leistung des 7eV-Lasers durch eine Änderung der Leistung des Lasers mit der Variable Abschwächer 355 nm.</li>
</ol>5. ARPES Datenerfassung
<ol><li>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.</li>
	<li>Wählen Sie Setup... unter Sequenz im Menü bar (Bild 2, Schritt i. 2-1).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Klicken Sie auf Ausführen (Abbildung 2, Schritt i. 2-3).</li>
</ol>6. SARPES Datenerfassung
<ol><li>Manuell ändern der Maschineneinstellung zur SARPES Messung einschließlich der Analysator Einlauföffnung und Maschenweite (Abbildung 1).</li>
	<li>Wählen Sie Setup... unter Sequenz im Menü bar (Bild 2, Schritt i. 2-2).</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wählen Sie den Emissionswinkel (θX, θy) = (-6 °, 0 ° c) zu SARPES Spektren (Abbildung 5, Schritt i. 5-3).</li>
	<li>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.</li>
	<li>Klicken Sie auf Ausführen , um Intensität Spektrum (Abbildung 2, Schritt i. 2-3) zu nehmen.</li>
	<li>Legen Sie Magnetfeld um das VLEED Ziel in negativer Richtung entlang α zu magnetisieren und Scan Intensität Spektrum zu starten.</li>
	<li>Berechnen der Spinpolarisation und die Spin-gelöst-Spektren.</li>
</ol>7. Scannen die Lichtpolarisation Abhängigkeit
<ol><li>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.</li>
	<li>Nehmen Sie die Drehung gelöst Spektren für X, y und Z -Achsen.</li>
	<li>Scannen Sie die Drehung gelöst Spektren als Funktion der Lichtpolarisation mit den halben Waveplate Winkel von 0° bis 102° mit Schrittweite von 3°.</li>
</ol>

<ol><li>Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -X. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.75.473">Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors.</a> Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).</li>
<li>Johnson, P. D. Spin-polarized photoemission. Rep. Prog. Phys. 60 (11), Available from:
 <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/60/11/002/meta">http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/60/11/002/meta</a> 1217-1304 (1997).</li>
<li>Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -G., Kakizaki, A. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1148401">A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency.</a> Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).</li>
<li>Dil, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spin+and+angle+resolved+photoemission+on+non-magnetic+low-dimensional+systems%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Condens.+Matter%22%5BJournal%5D)">Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems.</a> J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001(2009).</li>
<li>Hoesch, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0368204802000580">Spin-polarized Fermi surface mapping.</a> J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).</li>
<li>Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrahigh-resolution+spin-resolved+photoemission+spectrometer+with+a+mini+Mott+detector%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101(2010).</li>
<li>Okuda, T., Kimura, A. <a target="_blank" href="http://journals.jps.jp/doi/10.7566/JPSJ.82.021002">Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002(2013).</li>
<li>Okuda, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+spin-polarized+photoemission+spectrometer+with+very+high+efficiency+and+energy+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution.</a> Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117(2008).</li>
<li>Jozwiak, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+high-efficiency+spin-resolved+photoemission+spectrometer+combining+time-of-flight+spectroscopy+with+exchange-scattering+polarimetry%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904(2010).</li>
<li>Okuda, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+spin+resolved+spectroscopy+observation+machine+at+Hiroshima+Synchrotron+Radiation+Center%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center.</a> Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302(2011).</li>
<li>Yaji, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+three-dimensional+spin-+and+angle-resolved+photoelectron+spectrometer+using+vacuum+ultraviolet+laser+light%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light.</a> Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111(2016).</li>
<li>Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. <a target="_blank" href="http://journals.jps.jp/doi/abs/10.7566/JPSJ.84.072001">Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001(2015).</li>
<li>Augustine, S., Mathai, E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025540801007176">Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals.</a> Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).</li>
<li>Hasan, M. Z., Kane, C. L. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.82.3045">Colloquium: Topological insulators.</a> Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).</li>
<li>Ando, Y. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/pdf/1304.5693.pdf">Topological insulator materials.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011(2013).</li>
<li>Zhang, H., Liu, C. -X., Qi, X. -L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -C. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nphys1270">Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface.</a> Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).</li>
<li>Cao, Y., et al. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nphys2685">Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators.</a> Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).</li>
<li>Zhang, H., Liu, C. -X., Zhang, S. -C. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1211.0762">Spin-orbital texture in topological insulators.</a> Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801(2013).</li>
<li>Kuroda, K., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.94.165162">Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3.</a> Phys. Rev. B. 94 (16), 165162(2016).</li>
<li>Meier, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interference+of+spin+states+in+photoemission+from+Sb%2FAg%28111%29+surface+alloys%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys-Condens+Mat%22%5BJournal%5D)">Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys.</a> J Phys-Condens Mat. 23 (7), URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/23/7/072207/meta 072207(2011).</li>
<li>Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0368204814002308">Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature.</a> J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).</li>
<li>Yaji, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spin-dependent+quantum+interference+in+photoemission+process+from+spin-orbit+coupled+states%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Commun%22%5BJournal%5D)">Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states.</a> Nature Commun. 8, 14588(2017).</li>
<li>Noguchi, R., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.95.041111">Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states.</a> Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R)(2017).</li>
</ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>DA30-L hemisphärischer Analysator</td><td>ScientaOmicron</td><td></td><td>http://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170</td></tr><tr><td>Epoxidharz auf Silberbasis</td><td>Epoxidharz Technologie</td><td>H20E</td><td></td></tr><tr><td>Sctoch Band</td><td>3M</td><td>801-1-18C</td><td></td></tr><tr><td>UHV-Ventil</td><td>VAT</td><td>01034-KE01</td><td></td></tr><tr><td>Linear-/Drehdurchführung</td><td>Ferrovac</td><td>MD40</td><td></td></tr><tr><td>Transfer Rod</td><td>UHV Design</td><td>PP Serie</td><td></td></tr><tr><td>Wobble Stick</td><td>Ferrovac</td><td>WM40</td><td></td></tr><tr><td>Paladin Compact 355</td><td>Coherent</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Halbwellenplatte</td><td>Kogakugiken</td><td></td><td>Bestellung</td></tr><tr><td>Bipolare Kondensatorbank</td><td>Tsuji Elektronik</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

experimentelle methoden für spin - und winkel-resolved photoemission spectroscopy kombiniert mit polarisation-variable laser

Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser

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.

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...

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

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

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser ...

Die 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.

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Ingenieurwesen

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