Artículo de método

Métodos experimentales para el giro y ángulo resuelto fotoemisión espectroscopia combinan con láser de polarización Variable

DOI:

10.3791/57090

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28 de junio de 2018

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1Institute for Solid State Physics, University of Tokyo

En este artículo

Resumen

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Aquí combinamos polarización variable 7-eV láser con giro y ángulo resuelto fotoemisión técnica de visualizar el efecto de acoplamiento spin-orbital en Estados sólidos.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El objetivo de este protocolo es presentar cómo realizar espectroscopía de fotoemisión giro y ángulo resuelto combinado con polarización variable 7-eV laser (láser-SARPES) y demostrar una potencia de esta técnica para estudiar la física del estado sólido. Láser-SARPES logra dos grandes capacidades. En primer lugar, mediante el examen de regla de selección orbitales de láser linealmente polarizado, orbital excitación selectiva puede realizarse en SAPRES experimento. En segundo lugar, la técnica puede mostrar toda la información de una variación del eje cuántico spin en función de la polarización de la luz. Para demostrar el poder de la colaboración de estas capacidades en láser-SARPES, aplicamos esta técnica para las investigaciones de los Estados superficiales spin-órbita juntada de Bi2Se3. Esta técnica permite descomponer los componentes spin y orbital de los wavefunctions del hacer girar-órbita juntada. Por otra parte, como una ventaja representativa del uso de la detección directa de vuelta colaboró con el láser de polarización variable, la técnica visualiza claramente la dependencia de la polarización de la luz del eje cuántico spin en tres dimensiones. Láser-SARPES aumenta dramáticamente la capacidad técnica de la fotoemisión.

Introducción

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Técnica de ángulo resuelto fotoemisión (ARPES) la espectroscopia se ha convertido en una de las herramientas más poderosas para investigar las estructuras de banda quasiparticle en Estados sólido1. El máximo atractivo de ARPES es la capacidad para la asignación de la banda caracterizar los Estados electrónicos en el espacio de energía e impulso. Spin-resolved ARPES (SARPES), que aquí está equipado con detectores de spin, por ejemplo. Mott detector2,3, además permite resolver el carácter de vuelta de la banda observada estructuras4. Puesto que el detector de Mott puede medir el giro de dos ejes (x y zo y y z), la combinación de los dos detectores de Mott además permite obtener la orientación de vuelta en tres dimensiones4,5 . Desde hace varias décadas, sin embargo, los experimentos SARPES se sufrieron de su baja eficiencia (típicamente 1/10000 en comparación con la medición ARPES integrado spin)3,4,5,6 ,7, que había limitado la energía y la resolución angular. Recientemente, se ha aumentado la resolución de la energía de SARPES con un detector de giro de alta eficiencia basado en dispersión de intercambio, el supuesto bajo consumo-difracción de electrones (VLEED) detector7,8,9 ,10. Con este detector ha mejorado significativamente la calidad de los datos y se ha acortado el tiempo de adquisición de datos. Recientemente, SARPES ha logrado mucho para polarización de spin electrónicos Estados y sobre todo efecto de acoplamiento spin-órbita resultante en la textura de la vuelta de la superficie bandas7.

Aquí empleamos SARPES medidas con una polarización variable vacío Ultravioleta luz (laser-SARPES) laser y demostrar las grandes ventajas de esta técnica combinada. A través de la investigación en los Estados de spin-órbita juntada superficial Bi2Se3, presentamos dos capacidades de láser SARPES. En primer lugar, debido a la regla de selección orbitales de láser linealmente polarizada en el régimen de transición de dipolo, p- y s-polarizadas luces excitan selectivamente una parte de eigen-wavefunctions con diferente simetría orbital. Una excitación selectiva tal orbital hay así SARPES, es decir, orbitales selectivo SARPES. En segundo lugar, tridimensional (3D) de detección de vuelta en SARPES muestra la dirección del eje cuántico spin y directamente toda la información de la dependencia de la polarización de la luz. En este protocolo, se describe brevemente una metodología para realizar esta técnica de vanguardia láser-SARPES para estudiar los efectos de acoplamiento fuerte hacer girar-órbita.

Nuestro sistema láser SARPES se encuentra en el Instituto de física del estado sólido, la Universidad de Tokio11. El dibujo esquemático de nuestra máquina láser SAPRES se muestra en la figura 1. La luz láser de polarización variable de 7-eV12 se ilumina la superficie de la muestra y los fotoelectrones son emitidos de la muestra. La polarización del láser es controlada automáticamente por MgF2- base λ/2 - y λ/4-waveplates selectivamente utilizar polarizaciones lineales y circulares. Un analizador de electrones hemisférico corrige los fotoelectrones y analiza su energía cinética (Ekin) y el ángulo de emisión (θx y θy). Las intensidades del fotoelectrón se asignan en el Ekin-θx pantalla monitoreada por una cámara CCD. Esta imagen se transforma directamente en la estructura de la banda de energía en el espacio recíproco.

Para la medición SARPES los fotoelectrones con un ángulo de emisión específica y energía cinética analizada por el analizador de electrones son guiados a dos detectores de giro tipo VLEED con una desviación de 90 grados del fotoelectrón y las vigas del fotoelectrón se centran en dos objetivos diferentes de Fe(001) -p(1 × 1) las películas terminadas por el oxígeno. Los fotoelectrones reflejados los objetivos se detectan en la detección de solo canal utilizando un channeltron colocado en cada detector de giro. Los objetivos de la VLEED pueden ser magnetizados con bobinas eléctricas tipo Helmholtz que se arreglan con geometría ortogonal con respecto a ellos. La dirección de magnetización es controlada por el Banco de condensador bipolar. Los detectores de giro doble de VLEED tal modo nos permiten analizar el vector polarización de spin del fotoelectrón en tres dimensiones.

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Protocolo

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1. instalación y montaje de la muestra

  1. Corte muestras del solo-cristal de Bi2Se313 en un tamaño aproximado de 1 × 1 × 0,5 mm3 y uso epoxi basada en cinta para pegar la muestra en el portamuestras.
  2. Pegar la cinta adhesiva sobre la superficie de la muestra.
    Nota: La cinta scotch se utiliza para hender la muestra en Ultra cámara de vacío (UHV) para obtener una superficie limpia atómico.
  3. Instalar la muestra en la muestra de revista en el bloqueo de carga y arranque la bomba hasta que la presión de la cerradura de la carga es inferior a 1 × 10-5 PA.

2. muestra hendiendo

  1. Abra la válvula UHV entre el bloqueo de carga y el compartimiento de la preparación de UHV.
  2. Hacia el compartimiento de muestra de la roca de carga del compartimiento de la preparación utilizando el paso lineal de rotary que se une a la cámara de bloqueo de carga.
  3. Recoger la muestra de la revista muestra por la barra de transferencia a la sala de preparación.
  4. Vuelva a colocar la muestra de revista en el bloqueo de carga y cierre la válvula UHV.
  5. Espere hasta que la presión de la cámara de preparación está por debajo de 5 × 10-7 PA.
  6. Despegue la cinta scotch usando palo de bamboleo en la cámara de preparación y hienden la muestra bajo la condición UHV.

3. muestra transferencia a la posición de medición

  1. Transferir la muestra a la cámara de medición de UHV y fijar la muestra de la gonio-escenario principal por el conductor de tornillo equipado con la cámara de medición.
  2. Mueva la gonio-fase a la posición de medida y la etapa de micrómetro para precisamente mover la posición de la muestra en el enfoque del espectrómetro.

4. configuración de 7eV-laser

  1. Activar el láser de Nd: YVO4.
    Nota: El láser genera 355 nm de luz láser con una tasa de alta repetición de 120 MHz.
  2. Abra el obturador del haz de láser y asegúrese de que el láser pasa a través del cristal KBBF y una ola de segundo armónico de 177 nm (6,994 eV) se genera.
  3. Optimizar la potencia del láser de 7eV cambiando la potencia del láser de 355 nm con el atenuador variable.

5. ARPES de adquisición de datos

  1. Abra el software de control del analizador en la computadora de escritorio.
    Nota: Utilizamos "SES software" que es un programa general de control ScientaOmicron analyzer con un deflector de electrón.
  2. Seleccione configuración... por debajo de la secuencia en el menú de la barra (figura 2, paso i.2-1).
  3. Elija configuración ARPES (figura 3, paso 1 i.3) y ARPES Mapping en la lista (figura 3, paso i.3-2) para realizar la asignación de superficie de Fermi con el deflector del fotoelectrón.
  4. Haga clic en Editar (figura 3, paso 3 i.3) y configurar asignación de superficie de Fermi desde-12 ° hasta 12 ° de un ángulo θy de la emisión con tamaño de paso de 0.5 ° (figura 3, paso 4 i.3).
    Nota: El analizador hemisférico con un deflector de electrónica nos permite mapear la superficie de Fermi sin las rotaciones de la muestra.
  5. Haga clic en Ejecutar (figura 2, paso 3 i.2).

6. SARPES de adquisición de datos

  1. Cambiar manualmente la configuración de la máquina para medición SARPES como la ranura de entrada del analizador y el tamaño de la abertura (figura 1).
  2. Seleccione configuración... por debajo de la secuencia en el menú de la barra (figura 2, paso 2 i.2).
  3. Elija configuración de giro (figura 4, paso i.4-1) y Normal en la lista (figura 4, paso 2 i.4) y haga clic en Aceptar (figura 4, paso 3 i.4).
  4. Seleccione DA30 (figura 5, paso i.5-1) en la barra de menús y Control Theta... (Figura 5, paso i.5-2) para abrir el panel de configuración para la configuración de ángulo (θx, θy) DA30.
  5. Elegir el ángulo de emisión (θxθy) = (-6 °, 0 °) para tomar espectros SARPES (figura 5, paso i.5-3).
  6. Campo magnético se aplica mediante el control del Banco condensador bipolar para magnetizar el objetivo VLEED en la dirección positiva del eje particular (α: x, yo z).
    Nota: En nuestro sistema, este proceso puede realizarse a través de comandos [figura 6 (a)].
  7. Haga clic en Ejecutar para espectro de intensidad (figura 2, paso 3 i.2).
  8. Aplicar el campo magnético para magnetizar el objetivo VLEED en sentido negativo a lo largo de α y exploración para espectro de intensidad.
  9. Calcular la polarización de spin y los espectros spin-resolved.

7. Análisis de la dependencia de la polarización de la luz

  1. Cambiar el ángulo de la λ/2-waveplate precisamente controlada por el motor para ajustar la polarización de la luz del eV-laser 7.
    Nota: En nuestro sistema, este proceso puede realizarse a través de comandos [figura 6 (b)].
  2. Tomar los espectros resueltos de vuelta para los ejes x, y y z .
  3. Analizar los espectros spin-resolved en función de la polarización de la luz con diversos la mitad waveplate ángulo de 0° a 102° con tamaño de paso de 3°.

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Resultados

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Antes de comenzar los experimentos SARPES, posiciones k deban ser determinado con precisión para la toma de espectro spin-resolved usando resultados ARPES integrado spin estadística alta con alta energía y angular-resoluciones (protocolo 5.1-5.5). Esto se demuestra en la figura 7 donde se presentan los resultados ARPES de Bi2cristalina Se3 . Este material es conocido como un aislante topológico prototipo con una polarización de ...

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Discusión

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ARPES y SARPES técnicas se han utilizado comúnmente para el estudio de las estructuras de la banda electrónica a través de la asignación de la banda y spin-detección1,2. Además de estas ventajas generales indicadas, laser-SARPES basado en regla de selección orbital en la excitación óptica dipolo puede ser empleada como una nueva técnica para visualizar el efecto de acoplamiento spin-orbital en el wavefunction y quantum interferencia de vuelta . Como se muestra en...

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Divulgaciones

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Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.

Agradecimientos

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Agradecemos a M. Nakayama, Toyohisa S., A. Fukushima y Y. Ishida para apoya a la instalación experimental. Agradecemos financiamiento desde la JSP Grantin-ayuda para la investigación científica (B) a través del proyecto núm. 26287061 y para jóvenes científicos (B) a través del proyecto Nº 15K 17675. Este trabajo fue apoyado también por el MEXT de Japón (innovadora área "ciencia topológica de los materiales," concesión Nº 16 H 00979) y JSPS KAKENHI (Grant no. 16 H 02209)

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Analizador hemisférico DA30-LScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
Epoxi a base de plataTecnología epoxiH20E
Cinta de sctoch3M801-1-18C
Válvula UHVIVA01034-KE01
paso lineal/rotativoFerrovacMD40
varilla de transferenciadiseño UHV seriePP bamboleo
FerrovacWM40
Paladin compacto 355Placa de
Kogakugikenpedido hecho
Banco de condensador bipolarTsuji electrónica
media onda coherente

Referencias

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  1. Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -X. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors. Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).
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  9. Jozwiak, C., et al. A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry. Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904(2010).
  10. Okuda, T., et al. Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center. Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302(2011).
  11. Yaji, K., et al. High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light. Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111(2016).
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