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

La spettroscopia di fotoemissione risolta in spin e angolo, la cosiddetta SARPES, è una tecnica potente per studiare le strutture elettroniche dello stato solido, comprese le loro informazioni di spin. Nel nostro metodo, abbiamo combinato questa tecnica con il laser 7-eV a polarizzazione variabile che ci ha permesso di determinare le strutture di spin degli elettroni, in modo molto preciso. La SARPES è stata generalmente eseguita con radiazione di sincrotrone o lampada a scarica di gas nobile.

Rispetto a questo metodo, l'utilizzo di un laser da 7 eV a polarizzazione variabile è un grande miglioramento. La polarizzazione con il raggio laser può essere facilmente controllata utilizzando la piastra d'onda. Utilizzando questa proprietà, possiamo tracciare completamente il comportamento dello spin dell'elettrone, che è sensibile alla polarizzazione della luce.

La reazione di spin dei fotoelettroni dipende dalla polarizzazione della luce. E questo mostra molti significati fisici come l'accoppiamento spin-orbita e l'interferenza di spin. Per questo motivo, la nostra tecnica può essere gradualmente utilizzata per lo studio della fisica della materia condensata.

Per iniziare, tagliare campioni di seleniuro di bismuto in cristallo singolo e utilizzare una resina epossidica a base di argento per incollarli a un portacampioni. Una volta che la resina epossidica si è indurita, posizionare un pezzo di nastro adesivo sulla superficie dei campioni. Quindi, trasferire il caricatore di campioni nel blocco del carico ad altissimo vuoto e avviare la pompa fino a quando la pressione del blocco del carico non è inferiore a una volta dieci per il negativo di cinque pascal.

Quindi, aprire la valvola per l'ultraalto vuoto tra il blocco del carico e la camera di preparazione e spostare il caricatore dei campioni dal blocco del carico alla camera di preparazione, utilizzando il meccanismo passante collegato alla camera di blocco del carico. A questo punto, utilizzare un'asta di trasferimento per prelevare il campione dal magazzino campioni, quindi riposizionare il caricatore campioni nel blocco del carico e chiudere la valvola per vuoto ultraalto. Attendere che la pressione della camera di preparazione sia inferiore a cinque volte dieci rispetto ai sette pascal negativi, quindi staccare lo scotch dalla superficie del seleniuro di bismuto utilizzando il bastoncino oscillante nella camera di preparazione.

Questo spaccherà il campione, producendo una superficie atomicamente pulita. Trasferire il campione nella camera di misura UHV. Lì, usa un cacciavite per fissare il campione allo stadio gonio principale.

Quindi, spostare il tavolino nella posizione di misurazione e utilizzare un tavolino micrometrico per posizionare con precisione il campione sulla messa a fuoco dello spettrometro. Quindi, accendi il laser ortovanadato all'ittrio drogato con neodimio e lascialo riscaldare per dieci-15 minuti. Apri l'otturatore del raggio laser e assicurati che il laser passi attraverso un cristallo di fluoroborato di potassio berillio per generare una seconda onda armonica di 177 nanometri.

Ottimizza la potenza del laser a sette elettronvolt, modificando la potenza del laser a 355 nanometri utilizzando un attenuatore variabile. Innanzitutto, apri il software di controllo dell'analizzatore. Nel menu della sequenza, selezionare setup e quindi scegliere ARPES configuration e ARPES mapping, nell'elenco, per eseguire la mappatura della superficie di Fermi con il deflettore di fotoelettroni.

Fare clic su modifica e configurare la mappatura della superficie di Fermi in modo che l'angolo di emissione sia compreso tra 12 gradi e 12 gradi con una dimensione del passo di 0,5 gradi e 49 per il numero di passi. Una volta impostato, torna al menu della sequenza e seleziona Esegui. L'analizzatore emisferico è dotato di un deflettore di elettroni che ci permette di mappare la superficie di Fermi senza ruotare il campione.

Modifica manuale la configurazione della macchina per la misurazione della spettroscopia di fotoemissione risolta in rotazione e in angolo di rotazione. Ciò include la modifica sia della fessura di ingresso dell'analizzatore che della dimensione dell'apertura. Nel software, selezionare l'impostazione e scegliere la configurazione di rotazione e normale dall'elenco delle opzioni e fare clic su OK.

Quindi, seleziona DA30 sulla barra dei menu e naviga per controllare il theta. Si aprirà il pannello di impostazione per la configurazione dell'angolo DA30. Nel pannello, scegli l'angolo di emissione per theta x che sia negativo di sei gradi e che theta y sia zero gradi.

Quindi, utilizzare un prompt dei comandi per applicare il campo magnetico controllando il banco del condensatore bipolare. Questo magnetizzerà il bersaglio del cavo v nella direzione di posizione lungo l'asse x, y o z. Una volta impostato, fai clic su Esegui per prendere lo spettro di intensità.

Quindi, applicare un campo magnetico per magnetizzare il bersaglio del cavo v nella direzione negativa lungo l'asse ed eseguire la scansione per acquisire un altro spettro di intensità. Al termine, calcola la polarizzazione di spin e gli spettri risolti in spin. Utilizzando il prompt dei comandi, alimentare il motore passo-passo per modificare con precisione l'angolo della mezza piastra d'onda al fine di regolare la polarizzazione della luce del laser a sette elettronvolt.

Quindi, prendi gli spettri risolti in spin per ciascuno degli assi x, y e z. Scansiona gli spettri risolti in spin in funzione della polarizzazione della luce, variando l'angolo della mezza piastra d'onda da zero gradi a 102 gradi con la dimensione del passo di tre gradi. Il seleniuro di bismuto è un isolante topologico prototipico con stati superficiali polarizzati in spin.

La mappa della superficie di Fermi ottenuta dello stato superficiale nel seleniuro di bismuto, mostra una forma quasi circolare. Quindi, eseguire la mappatura delle bande lungo la linea di simmetria alta. Mostra la dispersione di energia a forma di X, il cosiddetto cono di Dirac.

Da questi risultati, è ora possibile scegliere l'angolo di emissione specifico per l'esperimento SARPES. Quando si prende un theta x uguale a sei gradi negativi e il theta y uguale a zero gradi attraverso kF negativi della banda di superficie, le curve di distribuzione dell'energia per diverse direzioni di magnetizzazione, raggiungono il picco di intensità vicino all'energia di Fermi. Le intensità nei due spettri sono diverse vicino al picco.

Dalla differenza tra le loro intensità, si può calcolare la polarizzazione di spin in funzione dell'energia e degli spettri risolti in spin. Apparentemente, lo spettro di spin verso l'alto ha una struttura di picco, ma gli spettri di spin verso il basso sono relativamente piatti. Ciò riflette la polarizzazione di spin quasi del 100%.

Quando si effettua la stessa misurazione per un asse diverso e con una diversa polarizzazione della luce, la direzione di rotazione degli elettroni e la sua dipendenza dalla polarizzazione sono chiaramente visibili. Per la polarizzazione p, i dati mostrano chiaramente il 100% di polarizzazione di spin solo lungo y e non c'è polarizzazione di spin lungo le direzioni x e z. È interessante notare che, quando si cambia la polarizzazione della luce da p a s, anche il segno della polarizzazione di spin passa alla polarizzazione s negativamente del 100% senza componenti di spin x e z.

Come conseguenza delle informazioni complete sullo spin, la rotazione dello spin dell'elettrone viene completamente svelata in tre dimensioni. Abbiamo dimostrato la potenza della SARPES, con il laser a polarizzazione variabile, per avviare lo stato polarizzato di spin del seleniuro di bismuto. Questo ci permette di visualizzare direttamente lo spin dell'elettrone e le sue variazioni, in funzione delle polarizzazioni della luce.

Questa tecnica può essere facilmente applicata a molti altri sistemi fisici. Il nostro esperimento mostra che, anche piccoli cambiamenti nei campi di luce possono davvero modificare lo spin del fotoelettrone in tre dimensioni. Il modo in cui il campione viene illuminato è molto importante.

Bisogna prendersi cura della geometria sperimentale per comprendere correttamente i dati.