Methodenartikel

Experimentele methoden voor Spin - en hoek-opgelost Photoemission spectroscopie gecombineerd met polarisatie-variabele Laser

DOI:

10.3791/57090

⸱

28 juni 2018

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Hier combineren we polarisatie-variabele 7-eV laser met draai - en hoek-opgelost photoemission techniek voor het visualiseren van het effect van de rotatie-orbitaal koppeling in stevige staten.

Samenvatting

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

Het doel van dit protocol is te presenteren van het uitvoeren van de spin - en hoek-opgelost photoemission spectroscopie gecombineerd met polarisatie-variabele 7-eV laser (laser-SARPES), en tonen een kracht van deze techniek voor het bestuderen van de vaste stoffysica. Laser-SARPES behaalt twee grote mogelijkheden. In de eerste plaats door het onderzoek van orbitale selectieregel van lineair gepolariseerde lasers, kan orbital selectieve excitatie worden uitgevoerd in SAPRES experiment. Ten tweede, kan de techniek Toon volledige informatie van een variatie van de as van de quantum spin als een functie van de polarisatie van licht. Om aan te tonen de kracht van de medewerking van deze mogelijkheden in laser-SARPES, passen we deze techniek voor het onderzoek van spin-baan combinatie oppervlakte Staten van Bi2Se-3. Deze techniek biedt aan spin en orbital componenten van de spin-baan combinatie golffuncties ontleden. Bovendien, als een vertegenwoordiger voordeel van het gebruik van de directe spin detectie met de polarisatie-variabele laser samengewerkt, de techniek ondubbelzinnig visualiseert de afhankelijkheid van de lichte polarisatie van de spin quantum as in drie-dimensie. Laser-SARPES verhoogt drastisch een vermogen van photoemission techniek.

Inleiding

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

Hoek-opgelost photoemission spectroscopie (CEVENNEN) techniek uitgegroeid tot een van de meest krachtige tool om te onderzoeken quasiparticle band structuren stevige staten1. De meeste van de aantrekkelijke functie van de CEVENNEN is de mogelijkheid voor het omzetten van de band te karakteriseren elektronische Staten in energie en impuls ruimte. Spin-resolved CEVENNEN (SARPES), die hier met draai-detectors, bv uitgerust is. Mott detector2,3, verder stelt ons in staat om op te lossen van de spin-karakter van de waargenomen band structuren4. Omdat de Mott-detector kan meten de spin met twee assen (x en z, of y en z), de combinatie van de twee Mott detectoren verder maakt het mogelijk om het verkrijgen van de oriëntatie van de spin in drie dimensie4,5 . Voor decennia, echter de SARPES experimenten werden leed aan hun lage efficiëntie (doorgaans 1/10000 vergeleken met die voor spin-geïntegreerd CEVENNEN meting)3,4,5,6 ,7, die de energie- en hoekige-resoluties had beperkt. Onlangs, is de resolutie van de energie van de SARPES opgetrokken met een hoog-efficiënte spin detector gebaseerd op uitwisseling verstrooiing, de zogenaamde zeer-lage-energie-elektronendiffractie (VLEED) detector7,8,9 ,10. Met deze detector, de kwaliteit van de gegevens is aanzienlijk verbeterd en de gegevens-Acquisitietijd is ingekort. Onlangs, SARPES geslaagd om sterk aan spin-gepolariseerde elektronische Staten en met name spin-baan koppeling effect wat resulteert in de textuur van de spin van de oppervlakte bands7.

Hier, gebruiken we SARPES metingen met een polarisatie-variabele vacuüm ultraviolet laser licht (laser-SARPES) en het aantonen van de grote voordelen van deze gecombineerde techniek. Door middel van het onderzoek op de spin-baan combinatie oppervlakte Staten in Bi2Se3presenteren we twee mogelijkheden van laser-SARPES. Ten eerste, als gevolg van de orbitale selectieregel van lineair gepolariseerde lasers in dipool overgangsregeling, p- en s-gepolariseerd licht selectief prikkelen van een deel van de eigen-golffuncties met verschillende orbitaal symmetrie. Een dergelijke orbitale selectieve excitatie is daardoor beschikbaar in SARPES, namelijk, orbital-selectieve SARPES. Ten tweede, driedimensionale (3D) spin-detectie in SARPES geeft de richting van de as van de quantum spin en direct volledige informatie van de licht-polarisatie afhankelijkheid worden weergegeven. In dit protocol beschrijven we kort een methodologie voor het uitvoeren van deze state-of-the-art laser-SARPES-techniek om te bestuderen van de effecten van de sterke spin-baan koppeling.

Onze laser-SARPES systeem is gelegen aan het Instituut voor vaste stoffysica, de Universiteit van Tokio,11. De schematische tekening van onze laser-SAPRES-machine is afgebeeld in Figuur 1. De polarisatie-variabele 7-eV laser licht12 verlicht het monster oppervlak en de photoelectrons van het monster worden uitgestoten. De polarisatie van de laser wordt automatisch gecontroleerd door MgF2- gebaseerde λ/2- en λ/4-waveplates selectief gebruik van lineaire en circulaire polarisaties. Een halfronde elektron analyzer corrigeert de photoelectrons en analyseert hun kinetische energie (Ekin) en de hoek van de emissie (θx en θy). De intensiteiten photoelectron worden toegewezen op de Ekin-θx scherm gecontroleerd door een CCD-camera. Dit beeld wordt direct omgezet in de structuur van de energie-band in de reciproque ruimte.

Voor de meting van de SARPES, de photoelectrons met een hoek van de specifieke emissie en de kinetische energie geanalyseerd door de elektron analyzer naar twee VLEED-achtige spin detectoren met een 90 graden photoelectron deflector worden geleid en de photoelectron balken zijn gericht op twee verschillende doelstellingen van Fe(001) -p(1 × 1) films beëindigd door zuurstof. De photoelectrons doorgevoerd door de streefcijfers worden gedetecteerd in één kanaal detectie met behulp van een channeltron geplaatst in elke spin detector. De doelstellingen van de VLEED kunnen worden gemagnetiseerde met Helmholtz-type elektrische spoelen die zijn gerangschikt met orthogonale geometrie ten opzichte van elkaar. De magnetisatie-richting wordt beheerd door de bank bipolaire condensor. De dubbele VLEED spin detectoren waardoor ons in staat stellen om te analyseren van de spin-polarisatie vector van de photoelectron in drie dimensies.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. voorbeeld van de Mount en installatie

  1. Single-crystal monsters van Bi2Se313 gesneden in een geschatte grootte van 1 × 1 × 0.5 mm3 en gebruik Splinter gebaseerde epoxy lijm van het monster, tot de monsterhouder.
  2. Plak de scotch tape op het oppervlak van de steekproef.
    Opmerking: De scotch tape wordt gebruikt om het klieven van het monster in met Vacuuemcel (UHV) te verkrijgen van een succesvol schoon oppervlak.
  3. Installeer het monster in het tijdschrift in de belasting-slot monster en start van de pomp, totdat de druk van de vergrendeling van de belasting lager dan 1 × 10-5 Pa. is

2. voorbeeld splijten

  1. Open de klep van de UHV tussen de belasting-vergrendeling en de UHV voorbereiding zaal.
  2. Verplaatsen het monster magazine uit de rots van de belasting aan de voorbereiding kamer met behulp van de lineaire/rotary-feedthrough die is gekoppeld aan de belasting lock kamer.
  3. Het monster van het monster tijdschrift halen door de staaf van de overdracht verbonden aan de kamer van de voorbereiding.
  4. Zet terug het monster tijdschrift in de belasting-vergrendeling en sluit de klep van de UHV.
  5. Wacht totdat de druk van de voorbereiding kamer lager dan 5 × 10-7 Pa. is
  6. Schil de plakband met behulp van wiebelen stok in de voorbereiding zaal en klieven van het monster onder de UHV voorwaarde.

3. voorbeeld overdracht naar de positie van de meting

  1. Overbrengen van het monster naar de UHV meting-kamer, en het monteren van het monster naar het hoofdwerkgebied gonio door de schroevendraaier uitgerust met de meting-kamer.
  2. De gonio-fase verplaatsen naar de positie van de meting en gebruik de micrometer fase precies de steekproef om cursor te verplaatsen naar de focus van de spectrometer.

4. 7eV-laser Setup

  1. Zet de Nd:YVO4 laser.
    Opmerking: De laser genereert 355 nm laserlicht met een hoge herhaling snelheid van 120 MHz.
  2. Open de sluiter laser beam, en ervoor te zorgen dat de laser de KBBF crystal en een tweede-harmonische Golf van 177 passeert nm (6.994 eV) wordt gegenereerd.
  3. De kracht van de 7eV-laser optimaliseren door het veranderen van de kracht van de laser van de 355-nm met de variabele verzwakker.

5. CEVENNEN Data-acquisitie

  1. Open de analyzer controle-software op de desktop computer.
    Opmerking: We gebruiken "SES software", dat een algemeen programma voor controle ScientaOmicron analyzer met een elektron deflector is.
  2. Selecteer Setuphieronder volgorde in het menu bar (Figuur 2, stap i.2-1).
  3. Kies CEVENNEN configuratie (Figuur 3, stap i.3-1) en de CEVENNEN toewijzing in de lijst (Figuur 3, stap i.3-2) voor het uitvoeren van de Fermi-oppervlak toewijzing met de deflector photoelectron.
  4. Klik op bewerken (Figuur 3, stap i.3-3) en configureer Fermi oppervlakte toewijzing variërend van-12 ° tot 12 ° van een emissie hoek θy met een stap grootte van 0,5 ° (Figuur 3, stap i.3-4).
    Opmerking: De halfronde analyzer met een elektron deflector stelt ons in staat om het Fermi-oppervlak zonder de monster rotaties in kaart.
  5. Klik op uitvoeren (Figuur 2, stap i.2-3).

6. SARPES Data-acquisitie

  1. Handmatig wijzigen van de set-up van de machine voor het meten van de SARPES met inbegrip van de analyzer ingang gleuf en de diafragma grootte (Figuur 1).
  2. Selecteer Setuphieronder volgorde in het menu bar (Figuur 2, stap i.2-2).
  3. Kies Spin configuratie (Figuur 4, stap i.4-1) en normaal in de lijst (Figuur 4, stap i.4-2), en klik op OK (Figuur 4, stap i.4-3).
  4. Selecteer DA30 (Figuur 5, stap i.5-1) op de menubalk en Controle Theta... (Figuur 5, stap i.5-2) te openen van het panel van de instelling voor de configuratie van de hoek (θx, θy) DA30.
  5. Kies de emissie hoek (θx, θy) = (-6 °, 0 °) te nemen van de spectra van het SARPES (Figuur 5, stap i.5-3).
  6. Magnetisch veld van toepassing door het beheersen van de bipolaire condensor bank en het VLEED doel in positieve richting langs de bijzondere as magnetiseren (α: x, yof z).
    Opmerking: In ons systeem, dit proces kan worden gedaan via de MS-DOS-prompt [Figuur 6 (a)].
  7. Klik op uitvoeren om intensiteit spectrum (Figuur 2, stap i.2-3).
  8. Magnetisch veld om te magnetiseren het doel van de VLEED in negatieve richting langs α en start scan om intensiteit spectrum van toepassing.
  9. Bereken de spin-polarisatie en de spectra spin-opgelost.

7. het scannen van de afhankelijkheid van de lichte polarisatie

  1. Wijzig de hoek van de λ/2-waveplate juist gecontroleerd door de stepping motor om af te stemmen op de lichte polarisatie van de 7 eV-laser.
    Opmerking: In ons systeem, dit proces kan worden gedaan via de MS-DOS-prompt [Figuur 6 (b)].
  2. Nemen van de spectra van spin-opgelost voor x, y en z -assen.
  3. Scan de spectra spin-opgelost als een functie van de lichte polarisatie met variërende de halve waveplate hoek van 0° tot 102° met de stap-grootte van 3°.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Voordat u begint SARPES experimenten, moeten k standpunten nauwkeurig worden bepaald voor het nemen van spectrum spin-opgelost met behulp van hoge statistiek spin-geïntegreerd CEVENNEN resultaten met hoge energie - en hoekige-resoluties (protocol 5.1-5.5). Dit wordt geïllustreerd in Figuur 7 waar de CEVENNEN resultaten voor een Bi2Se3 één crystal worden gepresenteerd. Dit materiaal staat bekend als een prototypische topologische...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

CEVENNEN en SARPES technieken zijn meestal gebruikt voor de studie van elektronische band structuren door middel van de toewijzing van de band en spin-detectie1,2. Naast deze algemene voordelen hierboven, kunnen laser-SARPES op basis van orbitaal selectieregel in optische dipool excitatie worden ingezet als een nieuwe techniek voor het visualiseren van het effect van de rotatie-orbitaal koppeling in de golffunctie en quantum spin-storing . Zoals aangetoond in

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

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

Wij danken M. Nakayama, S. Toyohisa, A. Fukushima en Y. Ishida voor ondersteuning biedt voor de experimentele opzet. Wij nogmaals mijn dankbaarheid uitspreken van de JSPS Grantin-Aid financiering voor wetenschappelijk onderzoek (B) door middel van Project nr. 26287061 en voor jonge wetenschappers (B) door middel van Project nr. 15K 17675. Dit werk werd ook ondersteund door MEXT van Japan (innovatieve gebied "topologische Materials Science," verlenen No. 16 H 00979) en JSPS KAKENHI (Grant No. 16 H 02209)

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
DA30-L hemispherical analyzerScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
Silver-based epoxyEpoxy TechnologyH20E
Sctoch tape3M801-1-18C
UHV valveVAT01034-KE01
linear/rotary feedthroughFerrovacMD40
transfer rodUHV designPP series
wobble stickFerrovacWM40
Paladin compact 355Coherent
half waveplateKogakugikenorder made
Bipolar condenser bankTsuji electronics

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

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

Gerelateerde artikelen