Method Article

Metodi sperimentali per la spettroscopia di fotoemissione risolta di Spin e angolo combinato con polarizzazione-variabile Laser

DOI:

10.3791/57090

⸱

June 28th, 2018

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

In This Article

Summary

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

Qui, uniamo la polarizzazione-variabile 7-eV laser con tecnica di fotoemissione risolta di rotazione e angolo di visualizzare l'effetto di accoppiamento spin-orbitale in stati solidi.

Abstract

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

L'obiettivo del presente protocollo è quello di presentare come eseguire spettroscopia di fotoemissione risolta di rotazione e angolo combinata con polarizzazione-variabile 7-eV laser (laser-SARPES) e dimostrare una potenza di questa tecnica per lo studio della fisica dello stato solido. Laser-SARPES realizza due grandi capacità. In primo luogo, esaminando la regola di selezione orbitale dei laser polarizzato linearmente, orbitale eccitazione selettiva può essere effettuata in SAPRES esperimento. In secondo luogo, la tecnica può mostrare informazioni complete di una variazione dell'asse di quantum di rotazione in funzione della polarizzazione della luce. Per dimostrare il potere della collaborazione di queste funzionalità in laser-SARPES, applichiamo questa tecnica per le indagini di Stati di spin-orbita accoppiato superficie di Bi2Se3. Questa tecnica permette di decomporre spin e orbitali componenti dalle funzioni d'onda di spin-orbita accoppiato. Inoltre, come un rappresentanza vantaggio di utilizzare il rilevamento diretto spin ha collaborato con il laser variabile di polarizzazione, la tecnica Visualizza senza ambiguità la dipendenza di polarizzazione della luce dell'asse di quantum di rotazione in tre dimensioni. Laser-SARPES aumenta drammaticamente una capacità della tecnica di fotoemissione.

Introduction

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

Tecnica di spettroscopia (ARPES) risolti in angolo di fotoemissione è diventata uno degli strumenti più potenti di indagare strutture di banda quasiparticella in stati solidi1. La maggior parte della caratteristica attraente di ARPES è la funzionalità per la mappatura di banda caratterizzare gli stati elettronici nello spazio di energia e quantità di moto. Risolta in spin ARPES (SARPES), che qui è dotata di rilevatori di spin, ad es. Mott rivelatore2,3, ulteriormente consente di risolvere il carattere di spin delle strutture osservate banda4. Poiché il rilevatore di Mott può misurare la rotazione con due assi (x e z, o y e z), la combinazione dei due rivelatori Mott ulteriormente permette di ottenere l'orientamento di rotazione in tre dimensioni4,5 . Per diversi decenni, tuttavia, gli esperimenti SARPES furono subiti dalla loro bassa efficienza (in genere 1/10000 rispetto a quella per spin-integrato misura ARPES)3,4,5,6 ,7, che aveva limitato l'energia e l'angolare-risoluzioni. Recentemente, è stata aumentata la risoluzione di energia di SARPES con un rilevatore di rotazione alto-efficiente basato sullo scattering di scambio, il cosiddetto molto-basso-energia-diffrazione elettronica (VLEED) rivelatore7,8,9 ,10. Con questo rilevatore, la qualità dei dati è stata notevolmente migliorata e il tempo di acquisizione dei dati è stato accorciato. Recentemente, SARPES ha riuscito notevolmente per indirizzo polarizzata in spin di stati elettronici e particolarmente effetto di accoppiamento spin-orbita conseguente la texture di spin delle bande di superficie7.

Qui, ci avvaliamo di SARPES le misure con una polarizzazione-variabile sottovuoto ultravioletto laser luce (laser-SARPES) e dimostrare i grandi vantaggi di questa tecnica unita. Attraverso l'indagine sugli stati di superficie spin-orbita accoppiato in Bi2Se3, presentiamo due funzionalità del laser-SARPES. In primo luogo, a causa della regola di selezione orbitale dei laser polarizzato linearmente in regime di transizione di dipolo, p- e s-luci polarizzate eccitano selettivamente una parte di eigen-funzioni d'onda con differente simmetria orbitale. Tale un'eccitazione selettiva orbitale è quindi disponibile in SARPES, vale a dire, orbital-selettivo SARPES. In secondo luogo, tridimensionale (3D) spin-rilevazione in SARPES indica la direzione dell'asse di quantum di rotazione e direttamente Visualizza informazioni complete della dipendenza dalla luce-polarizzazione. In questo protocollo, descriviamo brevemente una metodologia per eseguire questa tecnica di state-of-the-art laser-SARPES per studiare gli effetti di accoppiamento spin-orbita forte.

Il nostro sistema di laser-SARPES si trova presso l'Istituto di fisica dello stato solido, The University of Tokyo11. Il disegno schematico della nostra macchina laser-SAPRES è illustrato nella Figura 1. La polarizzazione-variabile 7-eV laser luce12 illumina la superficie del campione ed i fotoelettroni emessi dal campione. La polarizzazione del laser è controllata automaticamente dal MgF2- base λ/2 - e λ/4-birifrangenti per utilizzare selettivamente le polarizzazioni lineari e circolari. Un analizzatore emisferico dell'elettrone corregge i fotoelettroni e analizza la loro energia cinetica (Eparenti) e l'angolo di emissione (θx e θy). Le intensità di fotoelettroni vengono mappate su Ekin-θx schermo controllato da una telecamera CCD. Questa immagine viene trasformata direttamente nella struttura a bande di energia nello spazio reciproco.

Per la misura di SARPES, i fotoelettroni con angolo di emissione specifica ed energia cinetica analizzati dall'analizzatore dell'elettrone sono guidati a due rivelatori di spin VLEED-tipo con un deflettore del fotoelettrone 90 gradi e le travi di fotoelettroni sono focalizzate su due diversi target di Fe(001) -p(1 × 1) film terminato da ossigeno. Fotoelettroni riflettuti dalle destinazioni vengono rilevati nella rilevazione di singolo canale utilizzando un channeltron collocato in ogni spin rivelatore. Gli obiettivi VLEED possono essere magnetizzati con bobine elettriche Helmholtz-tipo, che sono organizzate con geometria ortogonale rispetto alla vicenda. La direzione di magnetizzazione è controllata dalla banca condensatore bipolare. I rivelatori di spin VLEED doppi permettono quindi di analizzare il vettore di polarizzazione di spin di fotoelettroni in tre dimensioni.

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Protocol

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1. installazione e montaggio del campione

  1. Tagliare i campioni del singolo-cristallo di Bi2Se313 in una dimensione approssimativa di 1 × 1 × 0,5 mm3 e uso basati su nastro resina epossidica per incollare l'esempio per il supporto del campione.
  2. Incollare il nastro adesivo sulla superficie del campione.
    Nota: Il nastro scotch è utilizzato per fendere il campione in ultraelevato camera da vuoto (UHV) per ottenere una superficie pulita in modo atomico.
  3. Installare il campione nel campione rivista nella serratura carico e avviare la pompa fino a quando la pressione della serratura carico è inferiore a 1 × 10-5 PA.

2. campione di sfaldatura

  1. Aprire la valvola UHV tra il blocco di carico e l'alloggiamento della preparazione UHV.
  2. Spostare la rivista campione dalla roccia carico alla camera di preparazione utilizzando il passante lineare/rotante che è assegnato alla sezione di blocco di carico.
  3. Raccogliere il campione dall'esempio di rivista la verga di trasferimento assegnato alla sezione di preparazione.
  4. Mettere indietro l'esempio rivista nella serratura carico e chiudere la valvola UHV.
  5. Attendere che la pressione della camera di preparazione è inferiore a 5 × 10-7 PA.
  6. Rimuovere il nastro scotch utilizzando wobble stick nella camera di preparazione e fendere il campione sotto la condizione UHV.

3. il campione trasferimento per la posizione di misurazione

  1. Trasferire il campione nella camera di misurazione UHV e correggere l'esempio a gonio-palco principale dal driver vite equipaggiato con camera di misura.
  2. Spostare il gonio-stage nella posizione di misurazione e utilizzare la fase di micrometro per spostare precisamente la posizione di campione sul fuoco dello spettrometro.

4. 7eV-laser Setup

  1. Accendere il laser YVO4.
    Nota: Il laser genera luce di laser 355 nm con un tasso di ripetizione elevata di 120 MHz.
  2. Aprire l'otturatore di fascio laser e assicurarsi che il laser passa attraverso il cristallo KBBF e un'ondata di seconda armonica di 177 nm (6,994 eV) è generato.
  3. Ottimizzare la potenza del laser-7eV cambiando la potenza del laser 355 nm con l'attenuatore variabile.

5. ARPES acquisizione dati

  1. Aprire il software di controllo analizzatore sul computer desktop.
    Nota: Usiamo "SES software", ovvero un programma generale per controllo ScientaOmicron analyzer con un deflettore dell'elettrone.
  2. Selezionare Setup... sotto sequenza menu bar (Figura 2, punto i. 2-1).
  3. Scegliere configurazione ARPES (Figura 3, punto i. 3-1) e ARPES Mapping nell'elenco (Figura 3, punto i. 3-2) per eseguire il mapping superficie Fermi con il deflettore fotoelettronica.
  4. Fare clic su modifica (Figura 3, punto i. 3-3) e configurare la mappatura della superficie Fermi che vanno da-12 ° a 12 ° di un angolo di emissione θy con passo di 0,5 ° (Figura 3, punto i. 3-4).
    Nota: L'analizzatore emisferico con un deflettore di elettrone permette di mappare la superficie di Fermi senza le rotazioni di campione.
  5. Fare clic su Esegui (Figura 2, punto i. 2-3).

6. SARPES acquisizione dati

  1. Modificare manualmente il set-up macchina per la misura di SARPES tra cui la fessura di entrata di analizzatore e la dimensione di apertura (Figura 1).
  2. Selezionare Setup... sotto sequenza menu bar (Figura 2, punto i. 2-2).
  3. Scegliere configurazione di Spin (Figura 4, punto i. 4-1) e normale nell'elenco (Figura 4, punto i. 4-2) e fare clic su OK (Figura 4, punto i. 4-3).
  4. Selezionare DA30 (Figura 5, punto i. 5-1) sulla barra dei menu e Controllo Theta... (Figura 5, punto i. 5-2) per aprire il pannello di impostazione per la configurazione di angolo (θx, θy) DA30.
  5. Scegliere l'angolo di emissione (θx, θy) = (-6 °, 0 °) per prendere spettri SARPES (Figura 5, punto i. 5-3).
  6. Applicare il campo magnetico controllando la banca del condensatore bipolare per magnetizzare il bersaglio VLEED in direzione positiva dell'asse particolare (α: x, yo z).
    Nota: Nel nostro sistema, questo processo può essere fatto tramite prompt [Figura 6 (a)].
  7. Fare clic su Esegui per prendere spettro di intensità (Figura 2, punto i. 2-3).
  8. Applicare il campo magnetico per magnetizzare il bersaglio VLEED in direzione negativa lungo α e avviare la scansione per prendere spettro di intensità.
  9. Calcolare la polarizzazione di spin e gli spettri risolta in spin.

7. la dipendenza di polarizzazione della luce di scansione

  1. Cambiare l'angolo di λ/2-waveplate proprio controllata da motore passo-passo per sintonizzare la polarizzazione della luce del 7 eV-laser.
    Nota: Nel nostro sistema, questo processo può essere fatto tramite prompt [Figura 6 (b)].
  2. Prendere gli spettri risolta in spin per gli assi x, y e z .
  3. Analizza gli spettri risolta in spin come una funzione della polarizzazione della luce con variando l'angolo di waveplate mezza da 0° a 102° con passo di 3°.

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Results

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Prima di iniziare gli esperimenti SARPES, k posizioni devono essere accuratamente determinato per aver risolta in spin spettro utilizzando alta statistica integrata spin ARPES risultati con energia - e angolare-risoluzioni elevate (protocollo 5.1-5.5). Come illustrato in Figura 7 dove vengono presentati i risultati ARPES per un Bi23 singolo cristallo di Se. Questo materiale è conosciuto come un prototipo isolante topologico con ...

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Discussion

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

Tecniche di ARPES e SARPES sono stati comunemente utilizzate per lo studio di strutture di gruppo elettronico attraverso la mappatura di banda e spin-rilevamento1,2. Oltre a questi vantaggi generali sopra indicati, laser-SARPES basato sulla regola di selezione orbitale nell'eccitazione ottica dipolo può essere impiegato come una tecnica novella per visualizzare l'effetto di accoppiamento spin-orbitale l'interferenza di spin funzione d'onda e quantistica . Come il...

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Disclosures

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Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

Acknowledgements

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

Ringraziamo M. Nakayama, Toyohisa S., r. Fukushima e Y. Ishida per supporta per la messa a punto sperimentale. Noi riconosciamo con gratitudine da JSP Grantin-aiuti di finanziamento per la ricerca scientifica (B) attraverso il progetto n. 26287061 e per giovani scienziati (B) attraverso il progetto n ° 15K 17675. Quest'opera fu appoggiata anche dal MEXT del Giappone (Area innovativa "topologico scienza dei materiali," concedere n ° 16 H 00979) e JSPS KAKENHI (Grant No. 16 H 02209)

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Analizzatore emisferico DA30-LScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
Epossidico a base d'argentoTecnologia epossidicaH20E
Nastro Sctoch3M801-1-18C
Valvola UHVVAT01034-KE01
passante lineare/rotativoFerrovacMD40
asta di trasferimentoUHV designPP serie
oscillante bastoneFerrovacWM40
Paladin compatto 355Mezza
Kogakugikensu ordinazione
Banco di condensatori bipolariTsuji
piastra d'onda coerente

References

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