분극 변수 레이저와 함께 회전 및 각도 해결 광전자 방출 분광학 실험 방법

요약

여기, 우리 기술로 회전 및 각도 해결 광전자 방출 고체 상태에서 스핀-궤도 결합 효과 시각화 하 분극 변수 7 eV 레이저를 결합 한다.

초록

이 프로토콜의 목표 회전 및 각도 해결 광전자 방출 분광학 분극 변수 7 eV 레이저 (레이저-SARPES)와 함께 수행 하는 방법을 제시 하 고 고체 물리학을 공부에 대 한이 기술의 힘을 보여주는 것입니다. 레이저 SARPES는 두 개의 큰 기능을 달성 한다. 첫째, 선형 편광 된 레이저의 궤도 선택 규칙을 검사 하 여 궤도 선택적 여기 수 실시 SAPRES 실험. 둘째, 기술은 빛 분극의 기능으로 스핀 양자 축 변형의 전체 정보를 표시할 수 있습니다. 레이저 SARPES에서 이러한 기능의 협업의 힘을 보여, 우리는 Bi₂Se₃의 표면 상태를 스핀-궤도 결합의 수사를 위해이 기술을 적용. 이 기술은 스핀-궤도 결합 wavefunctions에서 스핀과 궤도 구성 요소 분해을 준다. 또한, 직접 스핀 탐지를 사용 하 여의 대표적인 장점은 편광 변수 레이저와 함께 collaborated, 기술은 스핀 양자 축 3 차원에서의 빛 분극 의존 명확 하 게 시각화. 레이저 SARPES는 극적으로 광전자 방출 기술의 능력을 증가 시킵니다.

서론

고체 상태¹에 quasiparticle 밴드 구조를 조사 하는 가장 강력한 도구 중 하나에 각도 해결 광전자 방출 분광학 (ARPES) 기술을 개발 했다. ARPES의 매력적인 특징의 대부분은 에너지와 운동량 공간에서 전자 상태 특성 밴드 매핑 위한 기능입니다. 스핀 해결 ARPES (SARPES), 여기 스핀-감지기, 예를 갖추고 있습니다. 더 모트 탐지기^2,3, 관찰된 밴드 구조⁴의 스핀 문자를 해결 하기 위해 수 있습니다. 모트 검출기는 두 개의 축 (x 와 z또는 y 및 z)와 스핀을 측정할 수 있습니다., 더 두 모트 감지기의 조합을 하나의 3 차원^{4,5의 스핀 방향을 얻을 수 있습니다.} . 그러나 십년 동안,, SARPES 실험은 그들의 낮은 효율 (일반적으로 1/10000 스핀 통합 ARPES 측정에 비해)에서 고통을 했다^{3,,45,6 ,7}, 에너지와 각도 해상도 제한 했다. 최근, SARPES의 에너지 분해능 exchange 산란, 소위 매우 낮은 에너지 전자 회절 (VLEED) 검출기^{7,8,9에 따라 높은 효율적인 회전 검출기로 증가 되었습니다. ,10}. 이 검출기, 데이터 품질을 크게 향상 되었습니다와 데이터 수집 시간이 단축 되었습니다. 최근, SARPES 스핀 편광 전자 상태 및 특히 스핀-궤도 결합 효과 표면 밴드⁷의 회전 질감에 결과 해결 하기 위해 크게 성공 했습니다.

여기, 우리 SARPES 고용 양극 화 변수 진공 자외선 측정 레이저 광 (레이저-SARPES)와 입증이 결합 된 기술의 큰 장점. Bi₂Se₃스핀-궤도 결합 표면 상태에 조사를 통해 우리는 레이저 SARPES의 두 가지 기능을 제시. 첫째, 쌍 극 자 전이 정권, p-, s에 선형 편광 된 레이저의 궤도 선택 규칙 때문-편광된 빛 선택적으로 다른 궤도 대칭 아이겐 wavefunctions의 부분을 자극. 이러한 궤도 선택적 여기는 그로 인하여 SARPES, 즉, 궤도 선택적 SARPES. 둘째, SARPES에서 3 차원 (3D) 스핀-탐지 스핀 양자 축 방향을 표시 하 고 직접 빛 분극 의존의 전체 정보를 표시 합니다. 이 프로토콜에 우리는 잠시이 최신의 레이저-SARPES 기술을 강한 스핀-궤도 결합 효과 연구를 수행 하는 방법을 설명 합니다.

우리의 레이저-SARPES 시스템은 고체 상태 물리학, 도쿄 대학¹¹을 위한 연구소. 우리의 레이저 SAPRES 기계의 도식 적인 그림은 그림 1에 표시 됩니다. 분극 변수 7 eV 레이저 빛¹² 샘플 표면 조명 하 고는 photoelectrons 샘플에서 방출 된다. 레이저의 편광 자동으로 MgF₂-기반으로 λ/2-와 λ/4-waveplates 선택 사용 하 여 선형 및 원형 분극에 의해 제어 됩니다. 반구형 전자 분석기는 photoelectrons를 해결 하 고 그들의 운동 에너지 (E_친척) 및 방출 각도 (θ_x θ_y)을 분석 합니다. 광전자 농도 E_킨-CCD 카메라에 의해 감시 하는θ_x 화면에 매핑됩니다. 이 이미지 직접 상호 공간에서 에너지 밴드 구조에 변형 된다.

SARPES 측정을 위해 특정 방출 각도와 운동 에너지는 전자 분석기에 의해 분석 photoelectrons 90도 광전자 디플렉터와 두 개의 VLEED 형 스핀 감지기를 유도 하 고 광전자 빔 2에 초점을 맞추고 있다 Fe(001)-p(1 × 1) 영화 산소에 의해 종료의 다른 목표 대상에 의해 반영 photoelectrons 각 회전 검출기에 배치 하는 channeltron를 사용 하 여 단일 채널 검색에서 검색 됩니다. VLEED 목표는 서로 관하여 직각 형상으로 배열 되는 헬름홀츠 형 전기 코일으로 자성 수 있습니다. 자화 방향 바이 폴라 콘덴서 뱅크에 의해 제어 됩니다. 이중 VLEED 회전 검출기 함으로써 3 차원에 광전자의 스핀 분극 벡터 분석을 사용 합니다.

프로토콜

1. 샘플 마운트 및 설치

1. 1 × 1 × 0.5 m m의 대략적인 크기에 Bi₂Se₃¹³ 의 단일 크리스탈 샘플을 잘라 샘플 홀더를 샘플을 접착제로,³ , 사용 은색 기반 에폭시.
2. 샘플 표면에 스카치 테이프를 붙여 넣습니다.
   참고: 스카치 테이프는 원자적 깨끗 한 표면을 얻기 위해 초고 진공 (UHV) 챔버에 샘플을 쪼개 사용 됩니다.
3. 로드 잠금에 잡지 샘플으로 샘플을 설치 하 고 로드 자물쇠의 압력은 1 × 10^-5 아빠 보다 낮은 될 때까지 펌프를 시작

2. 샘플 고착

1. 로드 잠금 및 UHV 준비 챔버 사이 UHV 밸브를 엽니다.
2. 로드 잠금 챔버에 연결 되어 있는 선형/회전 피드스루를 사용 하 여 부하 바위 준비 약 실에 샘플 잡지를 이동 합니다.
3. 준비 실에 연결 하는 전송 막대에 의해 잡지 샘플에서 샘플을 선택 합니다.
4. 다시 넣어 샘플 잡지 로드 잠금 고 UHV 밸브를 닫습니다.
5. 준비 챔버의 압력 아래 5 × 10^-7 아빠 될 때까지 기다립니다
6. 준비 실에서 동요 막대기를 사용 하 여 스카치 테이프를 껍질 하 고 쪼개 UHV 조건 샘플.

3. 샘플 측정 위치로 전송

1. UHV 측정 챔버에 샘플을 전송 하 고 측정 챔버 장착 나사 드라이버에 의해 주요 gonio 단계를 샘플을 수정.
2. 측정 위치에 gonio 단계를 이동 하 고 마이크로미터 단계를 사용 하 여 정확 하 게는 분석기의 초점에 샘플 위치 이동.

4. 7 eV-레이저 설치

1. Nd:YVO4 레이저를 켭니다.
   참고: 레이저 120 MHz의 높은 반복 속도 355 nm 레이저 빛을 생성합니다.
2. 레이저 빔 셔터를 열고 레이저 KBBF 크리스털 및 177의 2 차 고조파 웨이브 통과 확인 nm (6.994 eV) 생성 됩니다.
3. 가변 감쇠기와 355 nm 레이저의 파워를 변경 하 여 7 eV-레이저의 파워를 최적화 합니다.

5. ARPES 데이터 수집

1. 데스크톱 컴퓨터에서 분석기 제어 소프트웨어를 엽니다.
   참고: 우리는 전자 편향 제어 ScientaOmicron 분석기에 대 한 일반적인 프로그램은 "SES 소프트웨어"를 사용 합니다.
2. 설치메뉴에서 시퀀스 아래...를 선택 합니다 (그림 2, i.2-1 단계) 바.
3. 광전자 편향 된 페르미 표면 매핑을 수행 하 ARPES 구성 (그림 3, i.3-1 단계) 및 ARPES 매핑 목록 (그림 3, i.3-2 단계)에서 선택 합니다.
4. (그림 3, i.3-3 단계)를 편집 을 클릭 하 고 0.5 ° (그림 3, i.3-4 단계)의 단계 크기는 방출 각도 θ_y 의 12 °-12 °에서 배열 하는 페르미 표면 매핑 구성.
   참고: 전자 편향 된 반구형 분석기 샘플 회전 없이 페르미 표면 매핑할 수 있습니다.
5. (그림 2, i.2-3 단계)을 실행 을 클릭 합니다.

6. SARPES 데이터 수집

1. 수동으로 SARPES 측정 분석기 입구 슬릿과 조리개 크기 (그림 1)를 포함 하 여 시스템 설정 변경.
2. 설치메뉴에서 시퀀스 아래...를 선택 합니다 (그림 2, i.2-2 단계) 바.
3. 목록 (그림 4, i.4-2 단계)에서 회전 구성 (그림 4, i.4-1 단계)와 정상 을 선택 하 고 확인 (그림 4, 단계 i.4-3)을 클릭 합니다.
4. 메뉴 모음 및 컨트롤 세타 DA30 (그림 5, i.5-1 단계)을 선택... (그림 5, i.5-2 단계) DA30 각도 (θ_x, θ_y) 구성에 대 한 설정 패널을 엽니다.
5. 선택 방출 각도 (θ_xθ_y) SARPES 스펙트럼 (그림 5, 단계 i.5-3)을 (-6 °, 0 °) =.
6. VLEED 대상 특정 축 따라 양의 방향에 자력을 띠게 하 바이 폴라 콘덴서 뱅크를 제어 하 여 자기장을 적용 (α: x, y또는 z).
   참고: 시스템에서이 프로세스는 명령 프롬프트 [그림 6 (a)]를 통해 할 수 있습니다.
7. 강도 스펙트럼 (그림 2, i.2-3 단계)을 실행 을 클릭 합니다.
8. Α에 따라 음의 방향에서 VLEED 대상 끌다 강도 스펙트럼을 스캔을 시작 하는 자기장을 적용 합니다.
9. 스핀-분극 및 스핀 해결 스펙트럼을 계산 합니다.

7. 스캔 빛 분극 의존

1. λ/2-파장판 정확 하 게 조정 7 eV-레이저의 빛 분극 스테핑 모터에 의해 제어의 각도 변경 합니다.
   참고: 시스템에서이 프로세스는 명령 프롬프트 [그림 6 (b)]를 통해 할 수 있습니다.
2. X, y 및 z 축에 대 한 스핀 해결 스펙트럼을 가져가 라.
3. 3 °의 단계 크기 102 °에 0 °에서 절반 파장판 각도 변화 빛 분극의 기능으로 스핀 해결 스펙트럼을 검사 합니다.

결과

SARPES 실험을 시작 하기 전에 k 위치 높은 통계 스핀 통합 ARPES 결과와 높은 에너지-각도-해상도 (프로토콜 5.1-5.5)을 사용 하 여 스핀 해결 스펙트럼을 주셔서 정확 하 게 결정 해야 합니다. 이 Bi₂Se₃ 단 결정에 대 한 ARPES 결과 제시는 그림 7 에서 설명 했다. 이 소재는 표면 상태 스핀 편광^14,15원형 위상 절연체로 알려져 있다. ARPES 밴드 지도 명확 하 게 2 차원 표면 상태¹⁶의 매우 가파른 디랙 콘 같은 에너지 분산을 해결합니다. ARPES 결과 쪼개진된 표면 및 샘플 방향의 높은 품질을 확인합니다. 밴드 지도 및 페르미 표면 매핑의 에너지와 기세 정보에서 하나 지금 SA...

토론

ARPES 및 SARPES 기술 전자 밴드 구조 스핀-검색^1,2및 밴드 매핑을 통해 공부에 대 한 일반적으로 사용 되었습니다. 이러한 일반적인 장점 위에 표시 된, 뿐만 아니라 레이저-SARPES 광 쌍 극 자 여기에 궤도 선택 규칙에 따라 시각화 하는 wavefunction 및 양자 스핀 간섭에 스핀-궤도 결합 효과 대 한 새로운 기술로 채택 될 수 있다 . 레이저의 편광 waveplates p-와 s사이의 기울어진된 선형 분극 하 여 쉽게 조작할 수 있습니다 에서처럼 그림 9 , 10,-분극¹⁹. 원칙적으로, 원형 및 심지어 타원 편광된 조명 얻은 고 레이저 SAPRES에 사용 될 수 있습니다. 이 다양 한 가변 편광 거의 노블 가스 방전 램프, 싱크 로트 론 방...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
DA30-L 반구형 분석기	ScientaOmicron		http://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
은 기반 에폭시	에폭시 기술	H20E
Sctoch 테이프	3M	801-1-18C
UHV 밸브	VAT	01034-KE01
선형/로터리 피드스루	Ferrovac	MD40
전사 봉	UHV 디자인	PP 시리즈
워블 스틱	Ferrovac	WM40
팔라딘 컴팩트 355	코 히런트
반 파장 판	코가 쿠기 켄		주문 제작
바이폴라 콘덴서 뱅크	츠지 전자