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

ספקטרוסקופיה של פליטת ספין וזווית, מה שנקרא SARPES, היא טכניקה רבת עוצמה לחקירת מבני אלקטרונים במצב מוצק כולל מידע הספין שלהם. בשיטה שלנו, שילבנו טכניקה זו עם לייזר 7-eV משתנה קיטוב שאפשר לנו לקבוע את מבני ספין האלקטרונים, בצורה מדויקת מאוד. SARPES בוצע בדרך כלל עם קרינת סינכרוטרון או מנורת פריקת גז אציל.

בהשוואה לשיטה זו, שימוש בלייזר 7-eV משתנה קיטוב הוא שיפור גדול. ניתן לשלוט בקלות על הקיטוב עם קרן הלייזר באמצעות לוחית הגל. על ידי שימוש במאפיין זה, אנו יכולים לעקוב לחלוטין אחר התנהגות ספין האלקטרונים, הרגיש לקיטוב האור.

תגובת הספין של הפוטו-אלקטרון תלויה בקיטוב האור. וזה מראה משמעויות פיזיקליות רבות כגון, צימוד ספין-מסלול והפרעות ספין. מסיבה זו, הטכניקה שלנו יכולה לשמש בהדרגה לחקר פיזיקה של חומר מעובה.

כדי להתחיל, חתכו דגימות גביש בודדות של ביסמוט סלניד, והשתמשו באפוקסי על בסיס כסף כדי להדביק אותן למחזיק דגימה. לאחר שהאפוקסי נרפא, הניחו חתיכת סקוטש על פני הדגימות. לאחר מכן, העבירו את מחסנית הדגימה למנעול עומס הוואקום הגבוה במיוחד והפעל את המשאבה עד שהלחץ של נעילת העומס נמוך מאחד כפול עשר עד השלילי חמש פסקל.

לאחר מכן, פתח את שסתום הוואקום הגבוה במיוחד בין מנעול העומס לתא ההכנה, והעבר את מחסנית הדגימה ממנעול העומס לתא ההכנה, באמצעות מנגנון ההזנה המחובר לתא נעילת העומס. כעת, השתמש במוט העברה כדי לאסוף את הדגימה ממחסנית הדגימה ולאחר מכן הכנס את מחסנית הדגימה בחזרה לתוך מנעול העומס וסגור את שסתום הוואקום הגבוה במיוחד. המתן עד שהלחץ של תא ההכנה יהיה מתחת לחמש כפול עשר לשבע הפסקל השלילי, ואז קלף את הסקוטש מפני השטח של סלניד הביסמוט בעזרת מקל הנדנוד בתא ההכנה.

זה יחתוך את הדגימה, וייצור משטח נקי מבחינה אטומית. העבר את הדגימה לתא המדידה UHV. שם, השתמש במברג כדי לקבע את הדגימה לשלב הגוניו הראשי.

לאחר מכן, העבר את השלב למצב המדידה והשתמש בשלב מיקרומטר כדי למקם במדויק את הדגימה על המיקוד של הספקטרומטר. לאחר מכן, הפעל את לייזר האיטריום אורתוואנדאט מסומם בניאודימיום, ואפשר לו להתחמם במשך עשר עד 15 דקות. פתח את תריס קרן הלייזר וודא שהלייזר עובר דרך גביש אשלגן בריליום פלואורובוראט כדי ליצור גל הרמוני שני של 177 ננומטר.

בצע אופטימיזציה של העוצמה של לייזר שבעת האלקטרונים וולט, על ידי שינוי ההספק של לייזר 355 ננומטר באמצעות מנחת משתנה. ראשית, פתח את תוכנת בקרת המנתח. בתפריט הרצף, בחר הגדרה ולאחר מכן בחר תצורת ARPES, ומיפוי ARPES, ברשימה, כדי לבצע מיפוי פני השטח של פרמי עם מסיט הפוטואלקטרון.

לחץ על עריכה, והגדר את מיפוי פני השטח של פרמי כך שזווית הפליטה נעה בין 12 מעלות ל-12 מעלות עם גודל צעד של 0.5 מעלות ו-49 למספר הצעדים. לאחר ההגדרה, חזור לתפריט הרצף ובחר הפעל. למנתח החצי כדורי יש מסיט אלקטרונים המאפשר לנו למפות את פני השטח של פרמי מבלי לסובב את הדגימה.

שנה ידנית את הגדרת המכונה למדידת ספקטרוסקופיה של פליטת אור בסיבוב ובזווית. זה כולל שינוי גם את חריץ הכניסה של המנתח וגם את גודל הצמצם. בתוכנה, בחר הגדרה ובחר תצורת סיבוב, ורגיל מרשימת האפשרויות ולחץ על אישור.

לאחר מכן, בחר DA30 בשורת התפריטים ונווט כדי לשלוט בתטה. פעולה זו תפתח את לוח ההגדרות עבור תצורת הזווית DA30. בחלונית, בחר את זווית הפליטה עבור תטה x תהיה שלילית בשש מעלות, ועבור תטה y תהיה אפס מעלות.

לאחר מכן, השתמש בשורת פקודה כדי להפעיל את השדה המגנטי על ידי שליטה בבנק המעבה הדו-קוטבי. זה ימגנט את המטרה של מוליך ה-V בכיוון המיקום לאורך ציר x, y או z. לאחר ההגדרה, לחץ על הפעלה, כדי לקחת את ספקטרום העוצמה.

לאחר מכן, הפעל שדה מגנטי כדי למגנט את מטרת עופרת ה-v בכיוון השלילי לאורך הציר והפעל את הסריקה כדי לקחת ספקטרום עוצמה נוסף. בסיום, חשב את קיטוב הספין ואת הספקטרום שנפתר בספין. באמצעות שורת הפקודה, הפעל את מנוע הצעד כדי לשנות במדויק את הזווית של חצי לוחית הגל על מנת לכוונן את קיטוב האור של לייזר שבעת האלקטרונים וולט.

לאחר מכן, קח את הספקטרום שנפתר בספין עבור כל אחד מצירי x, y ו-z. סרוק את הספקטרום שנפתר בספין כפונקציה של קיטוב האור, תוך שינוי זווית חצי לוחית הגל מאפס מעלות ל-102 מעלות בגודל הצעד של שלוש מעלות. ביסמוט סלניד, הוא מבודד טופולוגי טיפוסי עם מצבי שטח מקוטבים ספין.

מפת פני השטח של פרמי שהתקבלה של מצב פני השטח בביסמוט סלניד, מציגה צורה כמעט מעוגלת. לאחר מכן, בצע מיפוי פס לאורך קו הסימטריה הגבוהה. הוא מראה את פיזור האנרגיה בצורת X, מה שנקרא חרוט דיראק.

מתוצאות אלה, ניתן כעת לבחור את זווית הפליטה הספציפית לניסוי SARPES. כאשר לוקחים תטא x שווה לשש מעלות שליליות ותטה y שווה לאפס מעלות על פני kF שלילי של פס פני השטח, עקומות התפלגות האנרגיה לכיווני מגנטיזציה שונים, מגיעות לשיא בעוצמתן ליד אנרגיית פרמי. העוצמות בשני הספקטרומים שונות ליד הפסגה.

מההבדל בין העוצמות שלהם, ניתן לחשב את קיטוב הספין כפונקציה של האנרגיה והספקטרום שנפתר על ידי ספין. ככל הנראה, לספקטרום הספין למעלה יש מבנה שיא אך ספקטרום הספין למטה שטוח יחסית. זה משקף את הקיטוב של כמעט 100%.

כאשר מבצעים את אותה מדידה עבור ציר אחר ועם קיטוב אור שונה, כיוון הספין של האלקטרונים ותלות הקיטוב שלו נראים בבירור. עבור קיטוב p, הנתונים מראים בבירור את קיטוב הספין החיובי של 100% רק לאורך y ואין קיטוב ספין לאורך כיווני x ו-z. מעניין שכאשר מחליפים את קיטוב האור מ-p ל-s, סימן קיטוב הספין עובר גם ל-100% השלילי עבור קיטוב s ללא רכיב ספין x ו-z.

כתוצאה ממידע ספין מלא, סיבוב הספין של האלקטרון נפרש לחלוטין בתלת מימד. הדגמנו את כוחו של ה-SARPES, עם הלייזר המשתנה לקיטוב, להתחלת מצב מקוטב ספין של ביסמוט סלניד. זה מאפשר לנו לדמיין ישירות את ספין האלקטרונים ואת הווריאציות שלו, כפונקציה של קיטוב האור.

ניתן ליישם טכניקה זו בקלות עבור מערכות פיזיקליות רבות אחרות. הניסוי שלנו מראה שאפילו שינויים קטנים בשדות האור באמת יכולים לשנות את ספין הפוטו-אלקטרון בתלת מימד. חשוב מאוד לאופן שבו מוארת הדגימה.

יש לדאוג לגיאומטריה הניסיונית כדי להבין נכון את הנתונים.