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

La espectroscopia de fotoemisión con resolución de espín y ángulo, la llamada SARPES, es una técnica poderosa para investigar estructuras electrónicas de estado sólido, incluida su información de espín. En nuestro método, combinamos esta técnica con el láser de polarización variable de 7 eV que nos permitió determinar las estructuras del espín de los electrones, con mucha precisión. El SARPES se realizó generalmente con radiación de sincrotrón o lámpara de descarga de gas noble.

En comparación con este método, el uso de un láser de 7 eV de polarización variable es una gran mejora. La polarización con el rayo láser se puede controlar fácilmente mediante la placa de onda. Al usar esta propiedad, podemos rastrear completamente el comportamiento del espín del electrón, que es sensible a la polarización de la luz.

La reacción del espín del fotoelectrón depende de la polarización de la luz. Y eso muestra muchos significados físicos, como el acoplamiento espín-órbita y la interferencia de espín. Por esta razón, nuestra técnica se puede utilizar gradualmente para el estudio de la física de la materia condensada.

Para comenzar, corte muestras de selenito de bismuto de un solo cristal y use un epoxi a base de plata para pegarlas a un soporte de muestras. Una vez que el epoxi se haya curado, coloque un trozo de cinta adhesiva sobre la superficie de las muestras. A continuación, transfiera el almacén de muestras a la esclusa de carga de ultra alto vacío y ponga en marcha la bomba hasta que la presión de la esclusa de carga sea inferior a uno por diez a menos cinco pascales.

A continuación, abra la válvula de ultra alto vacío entre el bloqueo de carga y la cámara de preparación, y mueva el almacén de muestras del bloqueo de carga a la cámara de preparación, utilizando el mecanismo de paso adjunto a la cámara de bloqueo de carga. Ahora, use una varilla de transferencia para recoger la muestra del almacén de muestras y luego vuelva a colocar el almacén de muestras en el bloqueo de carga y cierre la válvula de vacío ultra alto. Espere hasta que la presión de la cámara de preparación esté por debajo de cinco veces diez por menos siete pascales, y luego retire la cinta adhesiva de la superficie del seleniuro de bismuto usando el palo de bamboleo en la cámara de preparación.

Esto partirá la muestra, produciendo una superficie atómicamente limpia. Transfiera la muestra a la cámara de medición UHV. Allí, use un destornillador para fijar la muestra a la etapa principal del gonio.

A continuación, mueva la platina a la posición de medición y utilice una platina de micrómetro para posicionar con precisión la muestra en el foco del espectrómetro. A continuación, encienda el láser de ortovanadato de itrio dopado con neodimio y deje que se caliente durante diez a 15 minutos. Abra el obturador del rayo láser y asegúrese de que el láser pase a través de un cristal de fluoroborato de potasio y berilio para generar una segunda onda armónica de 177 nanómetros.

Optimice la potencia del láser de siete electrones voltios, cambiando la potencia del láser de 355 nanómetros mediante un atenuador variable. Primero, abra el software de control del analizador. En el menú de secuencia, seleccione configuración y, a continuación, elija Configuración de ARPES y Mapeo de ARPES, en la lista, para realizar el mapeo de superficie de Fermi con el deflector de fotoelectrones.

Haga clic en editar y configure el mapeo de superficie de Fermi para que el ángulo de emisión oscile entre 12 grados y 12 grados con un tamaño de paso de 0,5 grados y 49 para el número de pasos. Una vez configurado, vuelva al menú de secuencia y seleccione ejecutar. El analizador hemisférico dispone de un deflector de electrones que nos permite cartografiar la superficie de Fermi sin necesidad de rotar la muestra.

Cambie manualmente la configuración de la máquina para la medición de espectroscopia de fotoemisión con resolución de espín y ángulo. Esto incluye cambiar tanto la ranura de entrada del analizador como el tamaño de la apertura. En el software, seleccione configuración y elija configuración de giro, y normal de la lista de opciones y haga clic en aceptar.

A continuación, seleccione DA30 en la barra de menú y navegue hasta controlar theta. Esto abrirá el panel de configuración para la configuración del ángulo DA30. En el panel, elija el ángulo de emisión para que theta x sea menos seis grados y para que theta y sea cero grados.

Luego, use un símbolo del sistema para aplicar el campo magnético controlando el banco de condensadores bipolares. Esto magnetizará el objetivo del cable en V en la dirección de la posición a lo largo de los ejes x, y o z. Una vez configurado, haga clic en ejecutar, para tomar el espectro de intensidad.

A continuación, aplique un campo magnético para magnetizar el objetivo v-lead en la dirección negativa a lo largo del eje y ejecute el escaneo para tomar otro espectro de intensidad. Cuando termine, calcule la polarización del espín y los espectros resueltos por el espín. Usando el símbolo del sistema, encienda el motor paso a paso para cambiar con precisión el ángulo de la media placa de onda para ajustar la polarización de la luz del láser de siete electrones-voltio.

A continuación, toma los espectros resueltos por espín para cada uno de los ejes x, y y z. Escanee los espectros resueltos por espín en función de la polarización de la luz, mientras varía el ángulo de la mitad de la placa de onda de cero grados a 102 grados con un tamaño de paso de tres grados. El seleniuro de bismuto es un aislante topológico prototípico con estados superficiales polarizados por espín.

El mapa de superficie de Fermi obtenido del estado de la superficie en seleniuro de bismuto, muestra una forma casi circular. A continuación, realice el mapeo de bandas a lo largo de la línea de alta simetría. Muestra la dispersión de energía en forma de X, el llamado cono de Dirac.

A partir de estos resultados, ahora se puede elegir el ángulo de emisión específico para el experimento SARPES. Cuando se toma un theta x igual a menos seis grados y theta y igual a cero grados a través de menos kF de la banda de superficie, las curvas de distribución de energía para diferentes direcciones de magnetización, alcanzan su punto máximo de intensidad cerca de la energía de Fermi. Las intensidades en los dos espectros son diferentes cerca del pico.

A partir de la diferencia entre sus intensidades, se puede calcular la polarización del espín en función de la energía y los espectros resueltos por el espín. Aparentemente, el espectro de espín ascendente tiene una estructura de pico, pero los espectros de espín descendente son relativamente planos. Esto refleja la polarización de espín de casi el 100%.

Al tomar la misma medición para un eje diferente y con diferente polarización de luz, la dirección del espín de los electrones y su dependencia de la polarización son claramente visibles. Para la polarización p, los datos muestran claramente la polarización de espín positiva del 100% solo a lo largo de y y no hay polarización de espín a lo largo de las direcciones x y z. Curiosamente, cuando se cambia la polarización de la luz de p a s, el signo de la polarización del espín también cambia al 100% negativo para la polarización s sin el componente de espín x y z.

Como consecuencia de la información completa del espín, la rotación del espín del electrón se desentraña completamente en tres dimensiones. Hemos demostrado la potencia del SARPES, con el láser de polarización variable, para iniciar el estado de polarización de espín del seleniuro de bismuto. Esto nos permite visualizar directamente el espín de los electrones y sus variaciones, en función de las polarizaciones de la luz.

Esta técnica se puede aplicar fácilmente a muchos otros sistemas físicos. Nuestro experimento muestra que, incluso pequeños cambios en los campos de luz realmente pueden remodificar el espín del fotoelectrón en tres dimensiones. La forma en que se ilumina la muestra es muy importante.

Hay que cuidar la geometría experimental para entender correctamente los datos.