Name: Metodi sperimentali per la spettroscopia di fotoemissione risolta di Spin e angolo combinato con polarizzazione-variabile Laser (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Impara la spettroscopia di fotoemissione risolta di spin e angolo con laser a polarizzazione variabile per studiare l'accoppiamento spin-orbita negli stati solidi. Questo metodo offre precisione superiore rispetto alle tecniche tradizionali.

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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)

1. installazione e montaggio del campione
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>2. campione di sfaldatura
<ol><li>Aprire la valvola UHV tra il blocco di carico e l'alloggiamento della preparazione UHV.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Raccogliere il campione dall'esempio di rivista la verga di trasferimento assegnato alla sezione di preparazione.</li>
	<li>Mettere indietro l'esempio rivista nella serratura carico e chiudere la valvola UHV.</li>
	<li>Attendere che la pressione della camera di preparazione è inferiore a 5 × 10-7 PA.</li>
	<li>Rimuovere il nastro scotch utilizzando wobble stick nella camera di preparazione e fendere il campione sotto la condizione UHV.</li>
</ol>3. il campione trasferimento per la posizione di misurazione
<ol><li>Trasferire il campione nella camera di misurazione UHV e correggere l'esempio a gonio-palco principale dal driver vite equipaggiato con camera di misura.</li>
	<li>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.</li>
</ol>4. 7eV-laser Setup
<ol><li>Accendere il laser YVO4. Nota: Il laser genera luce di laser 355 nm con un tasso di ripetizione elevata di 120 MHz.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Ottimizzare la potenza del laser-7eV cambiando la potenza del laser 355 nm con l'attenuatore variabile.</li>
</ol>5. ARPES acquisizione dati
<ol><li>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.</li>
	<li>Selezionare Setup... sotto sequenza menu bar (Figura 2, punto i. 2-1).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Fare clic su Esegui (Figura 2, punto i. 2-3).</li>
</ol>6. SARPES acquisizione dati
<ol><li>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).</li>
	<li>Selezionare Setup... sotto sequenza menu bar (Figura 2, punto i. 2-2).</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>Scegliere l'angolo di emissione (θx, θy) = (-6 °, 0 °) per prendere spettri SARPES (Figura 5, punto i. 5-3).</li>
	<li>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)].</li>
	<li>Fare clic su Esegui per prendere spettro di intensità (Figura 2, punto i. 2-3).</li>
	<li>Applicare il campo magnetico per magnetizzare il bersaglio VLEED in direzione negativa lungo α e avviare la scansione per prendere spettro di intensità.</li>
	<li>Calcolare la polarizzazione di spin e gli spettri risolta in spin.</li>
</ol>7. la dipendenza di polarizzazione della luce di scansione
<ol><li>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)].</li>
	<li>Prendere gli spettri risolta in spin per gli assi x, y e z .</li>
	<li>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°.</li>
</ol>

<ol><li>Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -X. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.75.473">Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors.</a> Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).</li>
<li>Johnson, P. D. Spin-polarized photoemission. Rep. Prog. Phys. 60 (11), Available from:
 <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/60/11/002/meta">http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/60/11/002/meta</a> 1217-1304 (1997).</li>
<li>Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -G., Kakizaki, A. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1148401">A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency.</a> Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).</li>
<li>Dil, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spin+and+angle+resolved+photoemission+on+non-magnetic+low-dimensional+systems%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Condens.+Matter%22%5BJournal%5D)">Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems.</a> J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001(2009).</li>
<li>Hoesch, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0368204802000580">Spin-polarized Fermi surface mapping.</a> J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).</li>
<li>Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrahigh-resolution+spin-resolved+photoemission+spectrometer+with+a+mini+Mott+detector%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101(2010).</li>
<li>Okuda, T., Kimura, A. <a target="_blank" href="http://journals.jps.jp/doi/10.7566/JPSJ.82.021002">Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002(2013).</li>
<li>Okuda, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+spin-polarized+photoemission+spectrometer+with+very+high+efficiency+and+energy+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution.</a> Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117(2008).</li>
<li>Jozwiak, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+high-efficiency+spin-resolved+photoemission+spectrometer+combining+time-of-flight+spectroscopy+with+exchange-scattering+polarimetry%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904(2010).</li>
<li>Okuda, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+spin+resolved+spectroscopy+observation+machine+at+Hiroshima+Synchrotron+Radiation+Center%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center.</a> Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302(2011).</li>
<li>Yaji, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+three-dimensional+spin-+and+angle-resolved+photoelectron+spectrometer+using+vacuum+ultraviolet+laser+light%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light.</a> Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111(2016).</li>
<li>Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. <a target="_blank" href="http://journals.jps.jp/doi/abs/10.7566/JPSJ.84.072001">Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001(2015).</li>
<li>Augustine, S., Mathai, E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025540801007176">Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals.</a> Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).</li>
<li>Hasan, M. Z., Kane, C. L. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.82.3045">Colloquium: Topological insulators.</a> Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).</li>
<li>Ando, Y. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/pdf/1304.5693.pdf">Topological insulator materials.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011(2013).</li>
<li>Zhang, H., Liu, C. -X., Qi, X. -L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -C. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nphys1270">Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface.</a> Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).</li>
<li>Cao, Y., et al. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nphys2685">Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators.</a> Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).</li>
<li>Zhang, H., Liu, C. -X., Zhang, S. -C. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1211.0762">Spin-orbital texture in topological insulators.</a> Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801(2013).</li>
<li>Kuroda, K., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.94.165162">Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3.</a> Phys. Rev. B. 94 (16), 165162(2016).</li>
<li>Meier, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interference+of+spin+states+in+photoemission+from+Sb%2FAg%28111%29+surface+alloys%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys-Condens+Mat%22%5BJournal%5D)">Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys.</a> J Phys-Condens Mat. 23 (7), URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/23/7/072207/meta 072207(2011).</li>
<li>Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0368204814002308">Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature.</a> J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).</li>
<li>Yaji, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spin-dependent+quantum+interference+in+photoemission+process+from+spin-orbit+coupled+states%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Commun%22%5BJournal%5D)">Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states.</a> Nature Commun. 8, 14588(2017).</li>
<li>Noguchi, R., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.95.041111">Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states.</a> Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R)(2017).</li>
</ol>

Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Analizzatore emisferico DA30-L</td><td>ScientaOmicron</td><td></td><td>http://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170</td></tr><tr><td>Epossidico a base d'argento</td><td>Tecnologia epossidica</td><td>H20E</td><td></td></tr><tr><td>Nastro Sctoch</td><td>3M</td><td>801-1-18C</td><td></td></tr><tr><td>Valvola UHV</td><td>VAT</td><td>01034-KE01</td><td></td></tr><tr><td>passante lineare/rotativo</td><td>Ferrovac</td><td>MD40</td><td></td></tr><tr><td>asta di trasferimento</td><td>UHV design</td><td>PP serie</td><td></td></tr><tr><td>oscillante bastone</td><td>Ferrovac</td><td>WM40</td><td></td></tr><tr><td>Paladin compatto 355</td><td>Mezza</td> piastra d'onda coerente <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Kogakugiken</td><td></td><td>su ordinazione</td></tr><tr><td>Banco di condensatori bipolari</td><td>Tsuji</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

metodi sperimentali per la spettroscopia di fotoemissione risolta di spin e angolo combinato con polarizzazione-variabile laser

Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser

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.

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 ...

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.

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

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV 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.

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