方法論記事

偏波可変レーザーと組み合わせてスピン角度分解光電子分光の実験法

DOI：

10.3791/57090

⸱

2018年6月28日

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

この記事について

サマリー

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

ここでは、固体状態におけるスピン軌道結合効果を視覚化するスピン角度分解光電子分光法による偏波可変 7 eV レーザーを組み合わせています。

要約

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

このプロトコルの目的は、スピン角度分解光電子分光偏光可変 7 eV レーザー (レーザー SARPES)、結合を実行する方法を示し、固体物理学の勉強法の力を発揮することです。レーザー SARPES は、2 つの偉大な機能を実現します。まず、直線偏光レーザの軌道選択ルールを調べれば、軌道選択的励起可能様々 SAPRES 実験。第二に、技術は、光の偏光の関数としてスピン量子軸の変化の完全な情報を表示できます。レーザー SARPES でこれらの機能のコラボレーションの力を示すためには、Bi2Se3スピン軌道結合表面状態の調査のためこのテクニックを適用されます。この手法を affords スピン軌道結合波動関数からスピン ・軌道部品を分解します。また、偏波可変レーザーと共同で直接スピンの検出を使用する代表的な利点、テクニックは明確に 3 つの次元のスピン量子軸の偏光依存性を視覚化します。SARPES レーザー光電子分光法の機能が大幅に増加します。

概要

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

角度分解光電子分光 (ARPES) 法は固体状態1の準粒子バンド構造を調査する最も強力なツールの 1 つに開発しました。角度分解光電子分光の魅力的な機能のほとんどは、エネルギーと運動量空間での電子の状態を特徴付けるバンド マッピングの機能です。スピン分解 ARPES (SARPES)、ここで例えばスピン検出器を装備。モット検出器2,3はさらに、観測バンド構造4スピン性を解決することが出来ます。さらに 2 つモット検出器の組み合わせにより 3 つのディメンション4,5 のスピンの向きを取得する 1 つ、モット検出器は、2 つの軸 (xとz、またはyおよびz) とスピンを測定できる、ので.数十年、ただし、SARPES 実験被害がなかった彼らの低効率 (通常 1/10000 スピン統合角度分解光電子分光測定の比較)3,4,5,6 、7エネルギーや角解像度に限られていた。いわゆる非常に低エネルギー電子線回折 (VLEED) 検出器7,8,9交換散乱に基づく高効率スピン検出器を用いた SARPES のエネルギー分解能を増加している最近、 ,10。この器、データの品質が大幅に改善されているし、データ収集時間が短縮されています。最近では、SARPES は、スピン偏極電子状態とスピンのテクスチャ表面バンド7の結果特にスピン軌道結合効果に対処するため大きくしました。

ここでは、SARPES を用いて偏波可変真空紫外測定レーザー光 (レーザー-SARPES)、この複合技術の大きな利点を発揮します。Bi2Se3スピン軌道結合表面状態の調査を通してレーザー SARPES の 2 つの機能を提案する.まず、 s p- 双極子遷移領域における直線偏光レーザの軌道選択ルールのため-偏光が軌道対称性の異なる波動関数の固有の部分を選択的にエキサイトします。そのような軌道選択的励起はそれにより SARPES、すなわち、軌道選択的 SARPES で利用可能です。第二に、SARPES で 3次元 (3 D) スピン検出はスピン量子軸の方向を示し、直接偏光依存性の完全な情報が表示されます。このプロトコルでは、簡単に強力なスピン軌道結合効果を研究するこの最新のレーザー SARPES テクニックを実行する方法をについて説明します。

11東京大学物性研究所でレーザー SARPES システムがあります。レーザー様々 SAPRES マシンの図は図 1に示します。偏波可変 7 eV レーザー光12はサンプル表面を照らすし、サンプルから光電子が放出されます。レーザーの偏光は、MgF2- 基づく λ/2 - と波長板 λ/4 直線および円偏波を選択的に使用するによって自動的に制御されます。半球電子アナライザーは、光電子を修正し、運動エネルギー (E親族)、放出角度 (θxとθy) を分析します。光電子強度はEキン- CCD カメラによって監視されているθx画面にマップされます。この画像は、逆格子空間におけるエネルギー バンド構造に直接変換されます。

SARPES 測定の具体的な排出角度と電子アナライザーを用いて運動エネルギー光電子が 90 度光電子デフ付け 2 VLEED 型スピン検出器に導かれているし、光電子ビームは、2 つに焦点を当てています。fe (001)p(1 × 1) 薄膜の酸素によって終了の異なるターゲット。ターゲットによって反映される光電子は、各スピン検出器は、channeltron を使用して、単一チャンネル検出で検出されます。VLEED ターゲットは、互いに対して直交するジオメトリと整理されるヘルムホルツ型電気コイル磁化することができます。磁化の向きは、バイポーラ コンデンサー銀行によって制御されます。ダブル VLEED スピン検出器により、私たちは 3 つの次元での光電子スピン分極ベクトルを分析します。

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

プロトコル

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

1. サンプル マウントとインストール

  1. 1 × 1 × 0.5 mm のおおよそのサイズに切断した Bi2Se313の単結晶試料試料ホルダーにサンプルを接着するエポキシをスライバー ベース3の使用。
  2. 試料表面にセロハン テープを貼り付けます。
    メモ: スコッチ テープは、超高真空 (UHV) アトミックきれいな表面を得るためにサンプルの切断に使用されます。
  3. 読み込みロックの雑誌のサンプルにサンプルをインストール、読み込みロックの圧力は 1 × 10-5 pa. より下までポンプを開始

2. サンプルの切断

  1. 読み込みロックと超高真空準備室の超高真空バルブを開きます。
  2. リニア/回転フィードスルー ロードロック室に接続されているを使用して、ロード岩からサンプル雑誌を準備室に移動します。
  3. 準備室に接続されている転送棒によって雑誌のサンプルからサンプルをピックアップします。
  4. サンプル誌に戻す負荷ロック、超高真空バルブを閉じます。
  5. 準備室の圧力が 5 × 10-7 pa. を下回るまで待つ
  6. 準備室で揺れのスティックを使用してセロハン テープをはがし、超高真空条件下で試料を切断します。

3. サンプル測定位置に転送

  1. 超高真空の測定室にサンプルを転送し、測定チャンバー搭載スクリュー ドライバーによってメイン ゴニオ ステージにサンプルを修正します。
  2. 測定位置にゴニオ ステージを移動し、正確に分光器の焦点にサンプル位置を移動するマイクロメータ ステージを使用します。

4. 7 eV レーザー セットアップ

  1. Nd:YVO4 レーザーをオンにします。
    注: レーザーは、120 MHz の高繰り返し率 355 nm のレーザー光を生成します。
  2. レーザー ビーム シャッターを開き、レーザーは通過、kbbf、177 の第 2 高調波を確認 nm (6.994 eV) が生成されます。
  3. 可変減衰器と 355 nm レーザーのパワーを変更することによって 7 eV レーザーのパワーを最適化します。

5. 角度分解光電子分光データ集録

  1. デスクトップ コンピューター上のアナライザー コントロール ソフトウェアを開きます。
    注: 我々 は電子デフ付け制御 ScientaOmicron アナライザーの一般的なプログラムである「SES ソフトウェア"を使用します。
  2. ... 以下のシーケンスメニューのセットアップを選択して (図 2、ステップ i.2 1) バー。
  3. 光電子デフ付けフェルミ面マッピングを実行する一覧 (図 3、ステップ i.3 2) の角度分解光電子分光構成(図 3、ステップ i.3 1) と角度分解光電子分光マッピングを選択します。
  4. (図 3、ステップ i.3 3) を編集をクリックし、-12 ° から 0.5 ° (図 3のステップ i.3-4) のステップ サイズの出射角θyの 12 ° までフェルミ面マッピングを構成します。
    注: 電子デフ付け半球アナライザーは、サンプル回転せずフェルミ面にマップすることが出来ます。
  5. (図 2i.2-3 の手順) を実行をクリックします。

6. SARPES データ集録

  1. SARPES 測定アナライザー入口スリットや絞りのサイズ (図 1) などの機械のセットアップを手動で変更します。
  2. ... 以下のシーケンスメニューのセットアップを選択して (図 2、ステップ i.2 2) バー。
  3. リスト (図 4、ステップ i.4 2)、(図 4、ステップ i.4 1)構成をスピンとノーマルを選択し、 [ok] (図 4、ステップ i.4 3) をクリックします。
  4. メニュー バーおよびコントロール シータのDA30 (図 5、手順 i.5 1) を選択してください.(図 5、手順 i.5 2) DA30 角 (θx, θy) 構成の設定パネルを開きます。
  5. 発光角度 (θxと θy) を選択 (-6 °、0 °) = SARPES スペクトル (図 5手順 3 i.5) を取る。
  6. 特定の軸に沿って正の方向に VLEED ターゲットを磁化するバイポーラ コンデンサー銀行を制御することによって磁場を適用 (α: x y、またはz)。
    注: システムでこのプロセスは [図 6 (a)] コマンド プロンプトから実行できます。
  7. 強度スペクトル (図 2i.2-3 の手順) を実行をクリックします。
  8. Α に沿って負の方向に VLEED ターゲットを磁化させるし、強度スペクトルをスキャンを開始するための磁界を適用します。
  9. スピン偏極とスピン分解スペクトルを計算します。

7. 光の偏波依存性をスキャン

  1. 7 eV レーザーの偏光をチューニングするステッピング モーターによりきめ細かい制御が λ/2-用の角度を変更します。
    注: 我々 のシステムでこのプロセスは [図 6 (b)] コマンド プロンプトから実行できます。
  2. X、y 、およびz軸のスピン分解スペクトルを取る。
  3. 102 ° 3 ° のステップ サイズの 0 ° から半波長板の角度を変えることで光の偏光の関数としてスピン分解スペクトルをスキャンします。

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

結果

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

SARPES 実験を開始、する前にkの位置で高エネルギー、角-解像度 (プロトコル 5.1 5.5) 高統計スピン統合角度分解光電子分光の結果を使用してスピン分解スペクトルを取るため正確に決定する必要があります。これは Bi2Se3単結晶の角度分解光電子分光の結果が表示されます図 7で示されます。この材料は、表面状態のスピン偏極14,15の典型的なトポロジカル絶縁体と呼ばれます。角度分解光電子分光バンド マップは明らかに二次元の表面状態16の非常に急なディラック コーンのようなエネルギー分散を解決します。角度分解光電子分光の結果は、高品質の劈開面とサンプルの向きを確認します。バンド マップとフェルミ面マッピングのエネルギーと運動量の情報から今 SARPES 実験の具体的な排出角度を選択でき...

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

ディスカッション

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

角度分解光電子分光と SARPES 技術は、一般バンド マッピングとスピン検出1,2バンド電子構造を研究するために使用されています。上記これらの一般的な利点に加えてレーザー SARPES 光双極子励起の軌道選択ルールに基づくは波動関数と量子スピン干渉におけるスピン軌道結合効果を可視化する手法として用いることができます。.レーザーの偏光を傾斜する直線偏光p- とsの間に波長板だけで簡単に操作できる図 9 および 10に示されているように-分極19。原則として、円形とも楕円偏光を得られるし、レーザー様々 SAPRES の使用ことができます。可変偏波のこの品種は、希ガス放電ランプや放射など従来の光源でほとんど得られます。したがって、3 D スピン解像度偏波可変レーザーと SARPES の組み合わせは、光電子技術の能力を大幅に増加します。

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

開示事項

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

著者は、彼らは競合する金銭的な利益があることを宣言します。

謝辞

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

福島聡豊久中山雅に感謝我々 の石田慶樹が実験のセットアップ サポートしています。感謝する資金日本学術振興会 Grantin 援助から研究 (B) プロジェクト号 26287061 を通じての若手研究 (B) プロジェクト号経由 15 K 17675。この作品も (新学術領域「トポロジカル材料科学」許可第 16 H 00979) 日本の文部科学省と日本学術振興会科研費 (補助金第 16 H 02209) によって支持された

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
DA30-L 半球分析装置ScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
銀ベースのエポキシ技術H20E
Sctoch テープ3M801-1-18C
UHV バルブVAT01034-KE01
リニア/ロータリー フィードスルーFerrovacMD40
トランスファーロッドUHVデザインPPシリーズ
ウォブルスティックFerrovacWM40
Paladin compact 355Coherent
half waveplate工学技研オーダーメイド
バイポーラコンデンサーバンク辻エレクトロニクス

参考文献

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

アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

再版と許可

このJoVE記事のテキストまたは図の再利用許可をリクエスト

許可をリクエスト

タグ

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

関連記事