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

La spectroscopie de photoémission résolue en spin et en angle, appelée SARPES, est une technique puissante pour étudier les structures électroniques à l’état solide, y compris leurs informations de spin. Dans notre méthode, nous avons combiné cette technique avec le laser 7-eV à polarisation variable qui nous a permis de déterminer très précisément les structures de spin des électrons. Le SARPES était généralement réalisé à l’aide d’une lampe à rayonnement synchrotron ou à décharge de gaz noble.

Par rapport à cette méthode, l’utilisation d’un laser 7-eV à polarisation variable est une grande amélioration. La polarisation avec le faisceau laser peut être facilement contrôlée à l’aide de la plaque d’onde. En utilisant cette propriété, nous pouvons retracer complètement le comportement du spin des électrons, qui est sensible à la polarisation de la lumière.

La réaction de spin des photoélectrons dépend de la polarisation de la lumière. Et cela montre de nombreuses significations physiques telles que le couplage spin-orbite et l’interférence de spin. Pour cette raison, notre technique peut être progressivement utilisée pour l’étude de la physique de la matière condensée.

Pour commencer, coupez des échantillons monocristallins de séléniure de bismuth et utilisez un époxy à base d’argent pour les coller sur un porte-échantillon. Une fois l’époxy durci, placez un morceau de scotch sur la surface des échantillons. Ensuite, transférez le magasin d’échantillons dans le sas de charge à ultravide et démarrez la pompe jusqu’à ce que la pression du sas de charge soit inférieure à un fois dix puissance moins cinq pascal.

Ensuite, ouvrez la soupape à ultravide poussé entre le sas de charge et la chambre de préparation, et déplacez le magasin d’échantillons du sas de charge à la chambre de préparation, à l’aide du mécanisme de traversée fixé à la chambre de verrouillage de charge. Maintenant, à l’aide d’une tige de transfert, prélevez l’échantillon dans le magasin d’échantillons, puis replacez le magasin d’échantillons dans le verrou de charge et fermez la soupape de vide ultra-poussé. Attendez que la pression de la chambre de préparation soit inférieure à cinq fois dix à moins sept pascal, puis décollez le scotch de la surface du séléniure de bismuth à l’aide du bâtonnet oscillant dans la chambre de préparation.

Cela fendra l’échantillon, produisant une surface atomiquement propre. Transférez l’échantillon dans la chambre de mesure UHV. Là, utilisez un tournevis pour fixer l’échantillon à l’étage gonio principal.

Ensuite, déplacez la platine en position de mesure et utilisez une platine micrométrique pour positionner précisément l’échantillon sur le foyer du spectromètre. Ensuite, allumez le laser orthovanadate d’yttrium dopé au néodyme et laissez-le se réchauffer pendant dix à 15 minutes. Ouvrez l’obturateur du faisceau laser et assurez-vous que le laser passe à travers un cristal de fluoroborate de béryllium de potassium pour générer une deuxième onde harmonique de 177 nanomètres.

Optimisez la puissance du laser à sept électrons-volts, en modifiant la puissance du laser de 355 nanomètres à l’aide d’un atténuateur variable. Tout d’abord, ouvrez le logiciel de contrôle de l’analyseur. Dans le menu séquence, sélectionnez configuration, puis configuration ARPES et mappage ARPES, dans la liste, pour effectuer le mappage de surface de Fermi avec le déflecteur de photoélectrons.

Cliquez sur modifier, et configurez le mappage de surface de Fermi de sorte que l’angle d’émission varie de 12 degrés à 12 degrés avec une taille de pas de 0,5 degré et de 49 pour le nombre de pas. Une fois réglé, retournez dans le menu de séquence et sélectionnez exécuter. L’analyseur hémisphérique est doté d’un déflecteur d’électrons, ce qui nous permet de cartographier la surface de Fermi sans faire pivoter l’échantillon.

Modifiez manuellement la configuration de la machine pour la mesure par spectroscopie de photoémission résolue en spin et en angle. Cela inclut la modification de la fente d’entrée de l’analyseur et de la taille de l’ouverture. Dans le logiciel, sélectionnez setup et choisissez spin configuration, et normal dans la liste des options et cliquez sur OK.

Ensuite, sélectionnez DA30 dans la barre de menu et naviguez pour contrôler thêta. Cela ouvrira le panneau de réglage de la configuration de l’angle DA30. Dans le panneau, choisissez l’angle d’émission pour thêta x moins six degrés et pour thêta y pour zéro degré.

Ensuite, utilisez une invite de commande pour appliquer le champ magnétique en contrôlant la banque de condenseur bipolaire. Cela magnétisera la cible du fil V dans la direction de la position le long de l’axe x, y ou z. Une fois réglé, cliquez sur courir, pour prendre le spectre d’intensité.

Ensuite, appliquez un champ magnétique pour magnétiser la cible v-lead dans la direction négative le long de l’axe et exécutez le balayage pour prendre un autre spectre d’intensité. Lorsque vous avez terminé, calculez la polarisation de spin et les spectres résolus en spin. À l’aide de l’invite de commande, alimentez le moteur pas à pas pour changer précisément l’angle de la demi-plaque d’onde afin de régler la polarisation de la lumière du laser à sept électrons-volts.

Ensuite, prenez les spectres résolus en spin pour chacun des axes x, y et z. Balayez les spectres résolus en spin en fonction de la polarisation de la lumière, tout en faisant varier l’angle de la demi-plaque d’onde de zéro degré à 102 degrés avec une taille de pas de trois degrés. Le séléniure de bismuth est un isolant topologique prototypique avec des états de surface polarisés en spin.

La carte de surface de Fermi obtenue de l’état de surface dans le séléniure de bismuth, montre une forme presque circulaire. Ensuite, effectuez un mappage de bande le long de la ligne de symétrie élevée. Il montre la dispersion d’énergie en forme de X, ce que l’on appelle le cône de Dirac.

À partir de ces résultats, il est maintenant possible de choisir l’angle d’émission spécifique pour l’expérience SARPES. Lorsque l’on prend un thêta x égal à moins six degrés et un thêta y égal à zéro degré sur moins kF de la bande de surface, les courbes de distribution d’énergie pour différentes directions d’aimantation, atteignent un pic d’intensité près de l’énergie de Fermi. Les intensités dans les deux spectres sont différentes près du pic.

À partir de la différence entre leurs intensités, on peut calculer la polarisation de spin en fonction de l’énergie et des spectres résolus en spin. Apparemment, le spectre de spin ascendant a une structure de crête, mais le spectre de spin descendant est relativement plat. Cela reflète la polarisation de spin de près de 100 %.

Lorsque l’on prend la même mesure pour un axe différent et avec une polarisation lumineuse différente, la direction de spin des électrons et sa dépendance à la polarisation sont clairement visibles. Pour la polarisation p, les données montrent clairement la polarisation de spin positive de 100 % uniquement le long de y et il n’y a pas de polarisation de spin le long des directions x et z. Il est intéressant de noter que lorsque l’on bascule la polarisation de la lumière de p à s, le signe de la polarisation de spin passe également à 100 % pour la polarisation s sans composante de spin x et z.

En conséquence de l’information de spin complète, la rotation de spin de l’électron est complètement démêlée en trois dimensions. Nous avons démontré la puissance du SARPES, avec le laser à polarisation variable, pour démarrer l’état polarisé en spin du séléniure de bismuth. Cela nous permet de visualiser directement le spin des électrons et ses variations, en fonction des polarisations lumineuses.

Cette technique peut être facilement appliquée à de nombreux autres systèmes physiques. Notre expérience montre que même de petits changements dans les champs lumineux peuvent réellement remodifier le spin des photoélectrons en trois dimensions. La façon dont l’échantillon est éclairé est très importante.

Il faut prendre soin de la géométrie expérimentale pour bien comprendre les données.