מאמר שיטה

שיטות נסיוניות עבור ספין - ואת זווית-נפתרה ספקטרוסקופיה Photoemission בשילוב עם לייזר משתנה-קיטוב

DOI:

10.3791/57090

⸱

28 ביוני 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute for Solid State Physics, University of Tokyo

במאמר זה

סיכום

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

כאן, אנו משלבים משתנה-קיטוב 7-eV לייזר עם ספין - ואת זווית-נפתרה טכניקה photoemission כדי להמחיש את האפקט צימוד ספין-מסלולית במדינות מוצק.

תקציר

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

המטרה של פרוטוקול זה היא להציג כיצד לבצע ספין - ואת זווית-נפתרה ספקטרוסקופיה photoemission בשילוב עם לייזר 7-eV משתנה-קיטוב (לייזר-SARPES), להפגין כוח של טכניקה זו ללמוד פיסיקה של מצב מוצק. לייזר-SARPES משיגה שתי יכולות גבוהות מאוד. ראשית, על ידי בחינת כלל בחירה ההקפה של לייזרים מקוטב לינארית, עירור סלקטיבי מסלולית יכול להתבצע בניסוי SAPRES. שנית, בטכניקה יכול להציג מידע מלא של וריאציה של הציר קוונטית ספין כפונקציה של קיטוב האור. להפגין את הכוח של שיתוף פעולה של יכולות אלה בלייזר-SARPES, אנו מיישמים את הטכניקה הזו על החקירות של מדינות דו2Se3משטח ספין-מסלול משולב. טכניקה זו מאפשרת מתפרקת ספין ורכיבים מסלולית מ wavefunctions ספין-מסלול משולב. יתר על כן, כפי יתרון נציג של באמצעות זיהוי ספין ישירה שיתף פעולה עם הלייזר משתנה-קיטוב, הטכניקה מדמיין חד משמעית את התלות קיטוב האור של הציר קוונטית ספין בממד-שלוש. לייזר-SARPES מגדיל באופן דרמטי יכולת בטכניקת photoemission.

מבוא

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

Photoemission נפתרה-זווית ספקטרוסקופיה (ARPES) הטכניקה התפתחה אחד הכלי החזק ביותר לחקור מבנים הלהקה quasiparticle הברית מוצק1. רוב תכונה אטרקטיבי של ARPES הוא היכולת למיפוי הלהקה לאפיין הברית אלקטרונית בחלל אנרגיה ותנע. ספין-נפתרה ARPES (SARPES), אשר מצויד פה ספין-גלאי, למשל. מוט גלאי2,3, עוד יותר מאפשר לנו לפתור את התו ספין של הלהקה שנצפה מבנים4. מאז הגלאי מוט יכול למדוד הספין עם שני צירים (x ו- z, או y ו- z), השילוב של מוט שני את גלאי נוסף מאפשר להשיג את כיוון הספין בתלת-מימד4,5 . במשך כמה עשורים, עם זאת, הניסויים SARPES היו סבלה היעילות שלהם נמוכה (בדרך כלל 1/10000 בהשוואה לזה למדידה ARPES משולבת ספין)3,4,5,6 ,7, אשר היה מוגבל האנרגיה ואת זוויתי-החלטות. לאחרונה, הרזולוציה האנרגיה של SARPES הוגדלה עם גלאי ספין יעילות גבוהה המבוססת על החלפת פיזור, מאוד-אנרגיה נמוכה כביכול אלקטרון-עקיפה (VLEED) גלאי7,8,9 ,10. עם זה גלאי, שופר משמעותית איכות הנתונים, קוצר הזמן רכישת נתונים. לאחרונה, SARPES הצליחה במידה רבה כדי לטפל מקוטב-ספין הברית אלקטרונית ו ספין-מסלול השפעה צימוד במיוחד וכתוצאה מכך המרקם ספין של להקות משטח7.

כאן, אנו מעסיקים SARPES ומדידות עם ואקום קיטוב משתנה על-סגול לייזר אור (לייזר-SARPES), להפגין את היתרונות הגדולים של טכניקה משולבת זו. דרך החקירה על הברית ספין-מסלול משולב משטח דו2Se3, אנו מציגים שתי היכולות של לייזר-SARPES. ראשית, בשל החוק בחירה ההקפה של לייזרים מקוטב לינארית דיפול המעבר למשטר, p- ו s-אור מקוטב באופן סלקטיבי לרגש חלק אופנים עצמיים-wavefunctions עם סימטריה מסלולית השונים. כזה עירור סלקטיבי מסלולית זמין ובכך SARPES, כלומר, אורביטל סלקטיבית SARPES. שנית, תלת מימדי (3D) ספין-זיהוי SARPES מראה את הכיוון של הציר קוונטית ספין, ישירות מציג מידע מלא של התלות קיטוב האור. ב פרוטוקול זה, נתאר בקצרה מתודולוגיה לביצוע טכניקה זו המדינה-of-the-art לייזר-SARPES לחקור את ההשפעות של צימוד ספין חזק-מסלול.

מערכת לייזר-SARPES שלנו ממוקם המכון לפיזיקה מצב מוצק, האוניברסיטה של טוקיו11. ציור סכמטי של מכונת לייזר-SAPRES שלנו מוצג באיור1. אור לייזר 7-eV משתנה-קיטוב12 מאירה השטח מדגם, photoelectrons נפלטים מן המדגם. קיטוב של לייזר נשלטת באופן אוטומטי על ידי MgF2- λ מבוסס/2 - ו λ/4-waveplates לשימוש באופן סלקטיבי polarizations ליניארית ועוד. מנתח אלקטרון המיספרי מתקנת את photoelectrons, ומנתח שלהם אנרגיה קינטית (E. קין) והזווית פליטה (θ באמצעותx וθ באמצעותy). עוצמות photoelectron ממופים על Eקין- מסךθ באמצעותx על-ידי מצלמת CCD. תמונה זו הוא הופך מיד אנרגיה מבנה בחלל הדדיים.

למדידה SARPES, photoelectrons עם זווית פליטה ספציפיים, אנרגיה קינטית נותחו על ידי במנתח אלקטרון מונחות על שני גלאים ספין מסוג VLEED עם מטה הטיה 90 מעלות photoelectron ואת הקורות photoelectron מתמקדים על שניים מטרות שונות של Fe(001) -p(1 × 1) סרטים על ידי חמצן. Photoelectrons בא לידי ביטוי במטרות מאותרים בזיהוי ערוץ אחד באמצעות channeltron להציב כל גלאי ספין. המטרות VLEED יכול להיות ממוגנט עם סלילים חשמליים מסוג הלמהולץ אשר מסודרים עם גאומטריה אורתוגונלית ביחס אחד לשני מגנוט בכיוון נשלטת על ידי הבנק מעבה הפרעה דו קוטבית. גלאי טווח VLEED כפול ובכך מאפשרים לנו לנתח את הוקטור ספין-קיטוב של photoelectron בשלושה ממדים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. לטעום הר והתקנה

  1. חתך בודד-קריסטל דגימות של Bi2Se313 גודל משוער 1 × 1 × 0.5 מ מ3 ושימוש נכספת אפוקסי על בסיס להדביק את הדגימה כדי המחזיק לדוגמה.
  2. הדבק את הסלוטייפ על פני מדגם.
    הערה: הסלוטייפ משמש כדי לבקע את הדגימה בתא על קוליים ואקום (UHV) כדי להשיג על משטח נקי מאגרי.
  3. התקן את הדגימה המדגם מגזין בתוך המנעול עומס, להפעיל את המשאבה עד הלחץ של המנעול עומס נמוך מ 1 × 10-5 הפלסטינית.

2. דגימה ביקוע

  1. . פתח את הברז UHV בין המנעול עומס תא הכנה UHV
  2. להעביר את המגזין דגימה מן הסלע עומס לחדר הכנה באמצעות את הסדרה ליניארי/חוגה אשר מחובר אל התא מנעול עומס.
  3. לאסוף את הדגימה מדגם מגזין על ידי מוט העברה מצורף אל התא הכנה.
  4. להחזיר את הדגימה מגזין למנעול עומס, סגור את השסתום UHV.
  5. המתן עד הלחץ לשכת ההכנה מתחת × 10 5-7 הפלסטינית.
  6. לקלף את הסלוטייפ באמצעות מקל התנודדות בבית הבליעה הכנה, קליב הדגימה תחת התנאי UHV.

3. מדגם העברה למיקום מדידה

  1. להעביר את הדגימה אל התא מדידה UHV, ותקן את הדגימה כדי gonio-הבמה המרכזית על ידי מנהל ההתקן בורג מצויד לתא המדידה.
  2. העבר gonio-הבמה למצב מדידה ולהשתמש השלב מיקרומטר להעביר בדיוק את מיקום הדגימה אל המוקד של ספקטרומטר.

4. 7eV-לייזר ההתקנה

  1. להפעיל את הלייזר Nd:YVO4.
    הערה: הלייזר מייצר אור לייזר nm 355 עם שיעור החזרות גבוהים של 120 מגה-הרץ.
  2. פתח את התריס קרן לייזר, וודא כי הלייזר עוברת דרך הגביש KBBF, גל שנייה-הרמוני של 177 nm (6.994 eV) נוצר.
  3. למטב את עוצמת הלייזר 7eV על-ידי שינוי עוצמת הלייזר 355-nm עם מחליש המשתנה.

5. ARPES קירור והקפאה

  1. פתח את תוכנת שליטה מנתח במחשב שולחני.
    הערה: אנו משתמשים "SES תוכנה", שהינה תוכנית כללית עבור השליטה ScientaOmicron מנתח עם מטה הטיה אלקטרון.
  2. בחר Setup. להלן רצף בתפריט בר (איור 2, שלב i.2-1).
  3. לבחור תצורה ARPES (איור 3, שלב i.3-1) ומיפוי ARPES ברשימה (איור 3, שלב i.3-2) כדי לבצע מיפוי משטח פרמי עם מטה הטיה photoelectron.
  4. לחץ על עריכה (איור 3, שלב i.3-3) ולקבוע תצורה של מיפוי משטח פרמי ועד-12 ° ° 12 של פליטה זווית θ באמצעותy עם שלב בגודל של 0.5 ° (איור 3, שלב i.3-4).
    הערה: במנתח המיספרי עם מטה הטיה אלקטרונים מאפשרת לנו למפות את פני השטח פרמי ללא לסיבובים מדגם.
  5. לחץ על הפעל (איור 2, שלב i.2-3).

6. SARPES קירור והקפאה

  1. לשנות באופן ידני את תצורת מחשב למדידה SARPES כולל את מנתח בכניסה חריץ וגודל הצמצם (איור 1).
  2. בחר Setup. להלן רצף בתפריט בר (איור 2, שלב i.2-2).
  3. לבחור ספין תצורה (איור 4, שלב i.4-1) ו- Normal ברשימה (איור 4, שלב i.4-2) ולחץ על OK (איור 4, שלב i.4-3).
  4. בחר DA30 (איור 5, שלב i.5-1) על שורת התפריטים ועל תטא שליטה... (איור 5, שלב i.5-2) כדי לפתוח את הלוח הגדרה עבור תצורת זווית (θ באמצעותx, θ באמצעותy) DA30.
  5. לבחור את הזווית פליטה (θ באמצעותx, θ באמצעותy) = (-6 °, 0 °) לקחת SARPES ספקטרה (איור 5, שלב i.5-3).
  6. להחיל את השדה המגנטי על ידי שליטה לבנק מעבה דו-קוטבי מגנט את המטרה VLEED בכיוון חיובי לאורך הציר מסוים (α: x, yאו z).
    הערה: במערכת שלנו, תהליך זה יכול להיעשות באמצעות שורת הפקודה [איור 6 (א)].
  7. לחץ על הפעל את עוצמת ספקטרום (איור 2, שלב i.2-3).
  8. להחיל שדה מגנטי מגנט את המטרה VLEED בכיוון השלילי לאורך α ולהתחיל סריקה לקחת ספקטרום העוצמה.
  9. לחשב את הספין-קיטוב ספקטרום ספין-נפתרה.

7. לסרוק את התלות קיטוב האור

  1. לשנות את הזווית של λ/2-לוחית גל בדיוק נשלט על ידי המנוע דריכה לכוון את קיטוב האור 7 eV-לייזר.
    הערה: במערכת שלנו, תהליך זה יכול להיעשות באמצעות שורת הפקודה [איור 6 (ב')].
  2. קח ספקטרום נפתרה-ספין על צירי x, y ו- z .
  3. סרוק ספקטרום נפתרה-ספין כפונקציה של קיטוב האור עם משתנה הזווית חצי לוחית גל של 0° ל ° 102 צעד בגודל של 3°.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

לפני תחילת הניסויים SARPES, עמדות k צריך להיקבע באופן מדויק עבור לוקחת ספקטרום ספין-נפתרה על-ידי שימוש סטטיסטי גבוה משולבת ספין ARPES תוצאות עם אנרגיה - ו זוויתי-ברזולוציות גבוהות (פרוטוקול 5.1-5.5). הוכח ב איור 7 שבו מוצגות התוצאות ARPES עבור Bi2Se3 גביש יחיד. חומר זה נקרא בידוד חשמלי טופולוגי טיפוסית עם ספין-מקוטב הברית משטח14,15. המפה הלהקה ARPES פותר באופן ברור את פי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

ARPES טכניקות SARPES היו בשימוש נפוץ ללמוד פסים מבנים באמצעות מיפוי הלהקה לזיהוי ספין1,2. בנוסף ליתרונות הכלליים האלה המוצג לעיל, לייזר-SARPES מבוסס על כלל בחירה ההקפה בתוך עירור דיפול אופטי יכול להיות מועסק טכניקה הרומן להמחשת השפעת צימוד ספין-מסלולית ב ההפרעות ספין פונקציית גל ו קוונטית . כפי שמתואר באיור 9 ו- 10, ניתן לטפל בקלות קיטוב של לייזר על-ידי waveplates כדי מוטה polarizations ליניארי בין p- ו

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

המחברים מצהירים כי יש להם אינטרסים כלכליים אין מתחרים.

תודות

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

אנו מודים פוקושימה א מ נאקיאמה, ס' Toyohisa, ותומך י' אישידה עבור לשלב המלכודת ניסיוני. אנו להכיר בהכרת תודה מימון מן JSPS Grantin-סיוע עבור מדעי למחקר (B) דרך פרויקט מס 26287061, עבור צעירים מדענים (B) דרך פרויקט מס 15K 17675. עבודה זו גם נתמך על ידי MEXT של יפן (אזור חדשני "טופולוגי הנדסת חומרים," מענק מס 16 H 00979) ו- JSPS KAKENHI (מענק מס 16 ח 02209)

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מנתח חצי כדורי DA30-LScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
אפוקסי מבוסס כסףטכנולוגיית אפוקסיH20E
Sctoch קלטת3M801-1-18C
UHV שסתוםVAT01034-KE01
הזנה ליניארית/סיבוביתFerrovacMD40
מוט העברהUHV עיצובPP סדרת
נדנוד מקלFerrovacWM40
Paladin קומפקטי 355קוהרנטי
חצי לוח גלKogakugikenהזמנה עשה
בנק מעבה דו קוטביTsuji אלקטרוניקה

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -X. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors. Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).
  2. Johnson, P. D. Spin-polarized photoemission. Rep. Prog. Phys. 60 (11), Available from: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/60/11/002/meta 1217-1304 (1997).
  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).
  4. Dil, J. H. Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems. J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001(2009).
  5. Hoesch, M., et al. Spin-polarized Fermi surface mapping. J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).
  6. Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector. Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101(2010).
  7. Okuda, T., Kimura, A. Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002(2013).
  8. Okuda, T., et al. A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution. Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117(2008).
  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).
  12. Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy. J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001(2015).
  13. Augustine, S., Mathai, E. Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals. Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).
  14. Hasan, M. Z., Kane, C. L. Colloquium: Topological insulators. Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).
  15. Ando, Y. Topological insulator materials. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011(2013).
  16. Zhang, H., Liu, C. -X., Qi, X. -L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -C. Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface. Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).
  17. Cao, Y., et al. Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators. Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).
  18. Zhang, H., Liu, C. -X., Zhang, S. -C. Spin-orbital texture in topological insulators. Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801(2013).
  19. Kuroda, K., et al. Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3. Phys. Rev. B. 94 (16), 165162(2016).
  20. Meier, F., et al. Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys. J Phys-Condens Mat. 23 (7), URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/23/7/072207/meta 072207(2011).
  21. Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature. J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).
  22. Yaji, K., et al. Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states. Nature Commun. 8, 14588(2017).
  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Spin Resolved PhotoemissionAngle Resolved PhotoemissionPolarization Variable LaserLaser SARPES TechniqueBismuth Selenide SampleUltrahigh Vacuum ChamberHemispherical AnalyzerFermi Surface MappingSpin Polarization MeasurementLight Polarization Control

מאמרים קשורים