Article de méthode

Méthodes expérimentales de Spin - et Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy combiné avec polarisation Variable Laser

DOI :

10.3791/57090

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28 juin 2018

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1Institute for Solid State Physics, University of Tokyo

Dans cet article

Résumé

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

Ici, nous combinons polarisation variable 7-eV laser avec la technique de photoémission résolue de spin et d’angle pour visualiser l’effet de couplage spin-orbite dans les États solides.

Résumé

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

Le but du présent protocole est de présenter comment effectuer l’essorage et angle-résolue de spectroscopie de photoémission combinée avec polarisation variable 7-eV laser (laser-SARPES) et démontrer une puissance de cette technique pour étudier la physique du solide. Laser-SARPES réalise deux grandes capacités. Tout d’abord, en examinant la règle de sélection orbitale des lasers polarisées linéairement, excitation sélective orbitale est réalisable dans SAPRES expérience. Deuxièmement, la technique peut afficher toute information d’une variation de l’axe de rotation quantique en fonction de la polarisation de la lumière. Pour démontrer la puissance de la collaboration de ces capacités en laser-SARPES, nous appliquons cette technique pour les enquêtes sur les États de surface de couplage de spin-orbite de Bi2Se3. Cette technique permet de décomposer les composants spin et orbitale depuis les fonctions d’onde de spin-orbite couplé. En outre, comme un avantage représentatif de l’utilisation de la détection directe de spin a collaboré avec le laser de polarisation variable, la technique visualisé sans ambiguïté par la dépendance de la polarisation de la lumière de l’axe de rotation quantique en trois dimensions. Laser-SARPES augmente de façon spectaculaire une capacité technique de photoémission.

Introduction

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Technique de spectroscopie (ARPES) de photoémission résolue en angle est devenu un des outils plus puissants pour étudier les structures de bande quasi-particules à l’États solide1. La plupart des caractéristique attrayante d’ARPES est la capacité pour la cartographie de la bande caractériser les États électroniques dans l’espace de l’énergie et l’élan. Spin-résolu ARPES (SARPES), qui est ici équipé de détecteurs de spin, par exemple. Mott détecteur2,3, plus nous permet de résoudre le personnage de spin des structures observées bande4. Étant donné que le détecteur de Mott peut mesurer le spin avec deux axes (x et z, ou y et z), la combinaison des deux détecteurs de Mott plus permet d’obtenir l’orientation du spin en trois dimension4,5 . Depuis plusieurs décennies, cependant, les expériences SARPES ont souffert de leur faible efficacité (en général par rapport à celle pour la mesure d’ARPES essorage intégré 1/10000)3,4,5,6 ,7, qui avait limité l’énergie et angulaire-résolutions. Récemment, la résolution en énergie SARPES a été augmentée avec un détecteur de spin haut-efficace basé sur la diffusion de change, le soi-disant très basse énergie-diffraction d’électrons (VLEED) détecteur7,8,9 ,,10. Avec ce détecteur, la qualité des données a été considérablement améliorée et le temps d’acquisition de données a été raccourci. Récemment, SARPES a su grandement pour régler la polarisation du spin des États électroniques et en particulier les effets de couplage spin-orbite aboutissant à la texture de la rotation des bandes surface7.

Ici, nous utilisons SARPES mesures avec un ultraviolet sous vide de polarisation variable laser lumière (laser-SARPES) et démontrer les grands avantages de cette technique combinée. Par le biais de l’enquête sur les États de surface de spin-orbite couplé en Bi2Se3, nous présentons deux fonctionnalités du laser-SARPES. Tout d’abord, en raison de la règle de sélection orbitale des lasers polarisées linéairement dans le régime de transition dipolaire, p- et s-lumières polarisées excitent sélectivement une partie d’eigen-fonctions d’ondes à symétrie orbital différente. Telle une excitation sélective orbitale est ainsi disponible en SARPES, nommément orbitale sélectif SARPES. Deuxièmement, en trois dimensions (3D) spin-détection en SARPES indique la direction de l’axe de rotation quantique et affiche directement les informations complètes de la dépendance de la lumière-polarisation. Dans ce protocole, nous décrivons brièvement une méthodologie pour effectuer cette technique de l’état-of-the-art laser-SARPES pour étudier les effets de couplage spin-orbite forte.

Notre système de laser-SARPES est situé à l’Institut de physique de l’état solide, l’Université de Tokyo,11. Le dessin schématique de notre machine laser-SAPRES est illustré à la Figure 1. La lumière laser de polarisation variable 7-eV12 illumine la surface de l’échantillon et de photoélectrons sont émis par l’échantillon. La polarisation du laser est contrôlée automatiquement par MgF2- fonction λ/2 - et λ/4-waveplates à utiliser de façon sélective des polarisations linéaires et circulaires. Un analyseur hémisphérique électron corrige les photoélectrons et analyse leur énergie cinétique (Ekin) et l’angle d’émission (θx et yde la θ). Les intensités de photoélectrons sont mappées sur le Ekin-θx écran surveillé par une caméra CCD. Cette image est directement transformée en la structure de bande d’énergie dans l’espace réciproque.

Pour la mesure en SARPES photoélectrons avec un angle d’émission spécifique et de l’énergie cinétique analysés par l’analyseur électronique sont guidés vers deux détecteurs de spin de type VLEED avec un déflecteur de photoélectrons de 90 degrés et les faisceaux de photoélectrons sont concentrent sur deux différentes cibles de Fe(001) - films dep(1 × 1) terminés par l’oxygène. Photoélectrons reflétées par les cibles sont détectés dans la détection monocanal en utilisant un channeltron placé dans chaque détecteur de spin. Les objectifs VLEED peuvent être aimantés avec bobines électriques type Helmholtz, qui sont disposés à géométrie orthogonale par rapport à l’autre. La direction de l’aimantation est contrôlée par la Banque de condensateur bipolaire. Les détecteurs de spin VLEED doubles ainsi nous permettent d’analyser le vecteur rotation de la polarisation de la photoélectronique en trois dimensions.

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Protocole

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1. montage et Installation de l’échantillon

  1. Découpe des échantillons monocristallins de Bi2Se313 dans une taille approximative de 1 × 1 × 0,5 mm époxy3 et utilisation axée sur le ruban à coller l’échantillon pour le porte-échantillon.
  2. Collez le ruban adhésif sur la surface de l’échantillon.
    Remarque : Le ruban adhésif est utilisé en conjonction avec l’échantillon en ultra haute chambre du vide (UHV) afin d’obtenir une surface propre atomiquement.
  3. Installation de l’exemple dans la magazine dans la serrure de charge de l’échantillon et démarrer la pompe jusqu'à ce que la pression de l’écluse de la charge est inférieure à 1 × 10-5 PA.

2. l’échantillon de clivage

  1. Ouvrir la vanne d’UHV entre l’écluse de charge et de la chambre de préparation UHV.
  2. Déplacer le magazine échantillon du rocher de la charge à la chambre de préparation à l’aide de la traversée de linéaire/rotatif qui est attachée à l’écluse de charge.
  3. Saisissez l’exemple provient l’échantillon magazine par la tige de transfert jointe à la chambre de préparation.
  4. Remettre en place l’échantillon magazine dans la serrure de charge et fermer la vanne d’UHV.
  5. Attendre que la pression de la chambre de préparation est inférieur à 5 × 10-7 PA.
  6. Peler le ruban adhésif à l’aide de wobble bâton dans la chambre de préparation et s’attacher à l’échantillon sous la condition d’UHV.

3. exemple transfert à la Position de mesure

  1. Transférer l’échantillon dans la chambre de mesure UHV et difficulté de l’échantillon à la gonio-scène principale de la visseuse équipée de la chambre de mesure.
  2. Déplacer la gonio-scène à la position de mesure et le stade de micromètre pour déplacer précisément la position de l’échantillon sur la mise au point du spectromètre.

4. installation de 7eV-laser

  1. Allumer le laser Nd : YVO4.
    Remarque : Le laser génère de la lumière laser 355 nm avec une fréquence de répétition élevée de 120 MHz.
  2. Ouvrir l’obturateur de faisceau laser et veillez à ce que le laser traverse le cristal KBBF et une vague de seconde harmonique de 177 nm (6,994 eV) est généré.
  3. Optimiser la puissance du laser-7eV en changeant la puissance du laser 355 nm avec l’atténuateur variable.

5. ARPES d’Acquisition de données

  1. Ouvrez le logiciel de contrôle d’analyseur sur l’ordinateur de bureau.
    Remarque : Nous utilisons des « Logiciels de SES » qui est un programme général de contrôle ScientaOmicron analyzer avec un déflecteur d’électrons.
  2. Sélectionnez configuration... ci-dessous la séquence dans le menu bar (Figure 2, étape 1-i.2).
  3. Choisissez configuration ARPES (Figure 3, i.3-étape1) et ARPES mappage dans la liste (Figure 3, étape i.3-2) pour effectuer le mappage surface de Fermi avec le déflecteur de photoélectrons.
  4. Cliquez sur Edit (Figure 3, étape i.3-3) et configurer un mappage de surface de Fermi allant de-12 ° à 12 °, un angle d’émission θy avec la taille de palier de 0,5 ° (Figure 3, étape 4-i.3).
    NOTE : L’analyseur hémisphérique avec un déflecteur d’électrons permet de cartographier la surface de Fermi sans les rotations de l’échantillon.
  5. Cliquez sur exécuter (Figure 2, étape 3-i.2).

6. SARPES d’Acquisition de données

  1. Modifier manuellement la configuration de machine pour la mesure de SARPES dont la fente d’entrée analyseur et la taille de l’ouverture (Figure 1).
  2. Sélectionnez configuration... ci-dessous la séquence dans le menu bar (Figure 2, étape 2-i.2).
  3. Choisissez configuration de Spin (Figure 4, i.4-étape1) et Normal dans la liste (Figure 4, étape i.4-2), puis cliquez sur OK (Figure 4, étape i.4-3).
  4. Sélectionnez DA30 (Figure 5, étape i.5-1) sur la barre de menu et Contrôle Theta... (Figure 5, étape i.5-2) pour ouvrir le panneau de configuration pour la configuration d’angle (θx, θy) DA30.
  5. Choisir l’angle d’émission (θx, θy) = (-6 °, 0 °) pour prendre des spectres SARPES (Figure 5, étape i.5-3).
  6. Appliquer le champ magnétique en contrôlant la Banque de condensateur bipolaire pour aimanter la cible VLEED dans un sens positif sur l’axe particulier (α : x, you z).
    Remarque : Dans notre système, ce processus peut être fait via l’invite de commande [Figure 6 (a)].
  7. Cliquez sur exécuter pour prendre le spectre d’intensité (Figure 2, étape 3-i.2).
  8. Appliquer un champ magnétique pour aimanter la cible VLEED dans la direction négative le long de α et de lancer le scan pour tenir le spectre d’intensité.
  9. Calculer la rotation de la polarisation et les spectres résolus en essorage.

7. analyse de la dépendance de la polarisation de la lumière

  1. Changer l’angle de la λ/2-waveplate contrôlée avec précision par le moteur pas à pas pour régler la polarisation de la lumière du laser-eV 7.
    Remarque : Dans notre système, ce processus peut être fait par le biais de la ligne de commande [Figure 6 (b)].
  2. Prendre les spectres résolus en essorage pour les axes x, y et z .
  3. Analyser les spectres résolus en rotation en fonction de la polarisation de la lumière avec des variables le demi-angle de waveplate de 0° à 102° avec la taille de palier de 3°.

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Résultats

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Avant de commencer les expériences SARPES, k positions doivent être déterminés avec précision pour la prise de spin résolue en fonction du spectre en utilisant haute statistique intégré essorage ARPES résultats avec énergie - et angulaire-résolutions élevées (protocole de 5,1 à 5,5). Cela est illustré dans la Figure 7 où les résultats ARPES pour un Bi2monocristal de3 Se sont présentés. Ce matériau est connu comme un isolant topo...

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Discussion

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ARPES et SARPES techniques ont été couramment utilisées pour l’étude des structures de bandes électroniques par le biais de la cartographie de la bande et l’essorage-détection1,2. Outre ces avantages générales ci-dessus, laser-SARPES basé sur la règle de sélection orbitale en excitation optique dipôle peut être utilisé comme une technique originale pour la visualisation de l’effet de couplage spin-orbite dans l’interférence quantique et de la fonction d’onde de s...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun intérêt financier concurrentes.

Remerciements

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

Nous remercions M. Nakayama, Toyohisa S., A. Fukushima et Y. Ishida pour prend en charge le montage expérimental. Nous sommes reconnaissants de la JSPS Grantin-aides de financement pour la recherche scientifique (B) par le biais de projet no 26287061 et pour les jeunes scientifiques (B) par le biais de projet no 15K 17675. Ce travail a été également soutenu par MEXT japonais (région innovante « topologique Materials Science, » Don no 16 H 00979) et JSPS KAKENHI (Grant No 16 H 02209)

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Analyseur hémisphérique DA30-LScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
Époxy à base d’argentTechnologie époxyH20E
Ruban Sctoch3M801-1-18C
Vanne UHVTVA01034-KE01
Traversée linéaire/rotativeFerrovacMD40
tige de transfertUHV designPP série
wobble stickFerrovacWM40
Paladin compact 355Demi-onde cohérente
Kogakugikencommande faite
Banque de condenseur bipolaireTsuji electronics

Références

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  3. Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -G., Kakizaki, A. A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency. Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).
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  23. Noguchi, R., et al. Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states. Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R)(2017).

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Mots-clés

Spin Resolved PhotoemissionLaser SARPES TechniqueBismuth Selenide SampleUltrahigh Vacuum ChamberHemispherical AnalyzerFermi Surface MappingSpin Polarization MeasurementLight Polarization Control

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