Artykuł metodologiczny

Eksperymentalne metody spektroskopii fotoemisyjnej ze spinową i kątową rozdzielczością w połączeniu z laserem o zmiennej polaryzacji

DOI:

10.3791/57090

⸱

28 czerwca 2018

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Tutaj łączymy laser 7-eV o zmiennej polaryzacji z techniką fotoemisji o rozdzielczości spinowej i kątowej, aby zobrazować efekt sprzężenia spinowo-orbitalnego w stanach stałych.

Streszczenie

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

Celem tego protokołu jest przedstawienie, jak przeprowadzić spektroskopię fotoemisyjną o rozdzielczości spinowej i kątowej w połączeniu z laserem 7-eV o zmiennej polaryzacji (laser-SARPES), oraz zademonstrowanie mocy tej techniki do badania fizyki ciała stałego. Laser-SARPES osiąga dwie wielkie możliwości. Po pierwsze, badając regułę selekcji orbitalnej laserów spolaryzowanych liniowo, w eksperymencie SAPRES można przeprowadzić selektywne wzbudzenie orbitalne. Po drugie, technika ta może pokazać pełną informację o zmienności spinowej osi kwantowej w funkcji polaryzacji światła. Aby zademonstrować siłę współpracy tych możliwości w laser-SARPES, zastosujemy tę technikę do badania stanów powierzchni sprzężonych spinowo-orbitalnie Bi2Se3. Technika ta pozwala na dekompozycję składowych spinu i orbity z funkcji falowych sprzężonych spinowo-orbitalnie. Ponadto, jako reprezentatywną zaletę zastosowania bezpośredniej detekcji spinu we współpracy z laserem o zmiennej polaryzacji, technika ta jednoznacznie wizualizuje zależność osi kwantowej spinu od polaryzacji światła w trójwymiarze. Laser-SARPES znacznie zwiększa możliwości techniki fotoemisji.

Wprowadzenie

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

Technika spektroskopii fotoemisyjnej (ARPES) stała się jednym z najpotężniejszych narzędzi do badania struktur pasmowych kwazicząstek w stanach stałych1. Najbardziej atrakcyjną cechą ARPES jest możliwość mapowania pasm w celu scharakteryzowania stanów elektronowych w przestrzeni energii i pędu. Spin-resolution ARPES (SARPES), który jest tutaj wyposażony w detektory spinowe, np. Mott detector2,3, dodatkowo umożliwia nam rozpoznanie charakteru spinu obserwowanych struktur pasmowych4. Ponieważ detektor Mott może mierzyć spin za pomocą dwóch osi (x i z lub y i z), połączenie dwóch detektorów Motta pozwala dodatkowo uzyskać orientację spinu w trzech wymiarach4,5. Przez kilka dziesięcioleci eksperymenty SARPES były jednak narażone na niską wydajność (zwykle 1/10000 w porównaniu do pomiaru ARPES zintegrowanego ze spinem)3,4,5,6,7, co ograniczyło energię i rozdzielczości kątowe. Ostatnio rozdzielczość energetyczna SARPES została zwiększona dzięki wysokowydajnemu detektorowi spinowemu opartemu na rozpraszaniu wymiennym, tak zwanemu detektorowi dyfrakcji elektronów o bardzo niskiej energii (VLEED)7,8,9,10. Dzięki temu detektorowi jakość danych uległa znacznej poprawie, a czas akwizycji danych uległ skróceniu. Ostatnio w ramach projektu SARPES udało się rozwiązać problem stanów elektronowych spolaryzowanych spinowo, a w szczególności efektu sprzężenia spinowo-orbitalnego, w wyniku którego powstaje tekstura spinowa pasm powierzchniowych7.

Tutaj stosujemy pomiary SARPES za pomocą próżniowego światła ultrafioletowego o zmiennej polaryzacji (laser-SARPES) i pokazujemy wielkie zalety tej połączonej techniki. Poprzez badania nad stanami powierzchni sprzężonymi spinowo-orbitalnymi w Bi2Se3 prezentujemy dwie możliwości lasera-SARPES. Po pierwsze, ze względu na regułę wyboru orbitalnego laserów spolaryzowanych liniowo w reżimie przejścia dipolowego, światła spolaryzowane p i s selektywnie wzbudzają część funkcji falowych o różnej symetrii orbitalnej. Takie orbitalne selektywne wzbudzenie jest zatem dostępne w SARPES, a mianowicie orbitalno-selektywne SARPES. Po drugie, trójwymiarowa (3D) detekcja spinu w SARPES pokazuje kierunek osi kwantowej spinu i bezpośrednio wyświetla pełną informację o zależności polaryzacji światła. W niniejszym protokole pokrótce opisujemy metodologię wykonywania tej najnowocześniejszej techniki laserowej SARPES w celu zbadania silnych efektów sprzężenia spin-orbita.

Nasz laserowy system SARPES znajduje się w Instytucie Fizyki Ciała Stałego, Uniwersytecie Tokijskim11. Schematyczny rysunek naszej maszyny laserowej SAPRES jest pokazany w Rysunek 1. Światło lasera 7-eV o zmiennej polaryzacji12 oświetla powierzchnię próbki, a z próbki emitowane są fotoelektrony. Polaryzacja lasera jest automatycznie kontrolowana przez płytki falowe λ/2 i λ/4 na bazie MgF2 w celu selektywnego stosowania polaryzacji liniowej i kołowej. Półkulisty analizator elektronów koryguje fotoelektrony i analizuje ich energię kinetyczną (Ekin) oraz kąt emisji (θx i θy). Intensywności fotoelektronów są odwzorowywane na ekranie Ekin-θ x monitorowanym przez kamerę CCD. Obraz ten jest bezpośrednio przekształcany w strukturę pasma energetycznego w przestrzeni odwrotnej.

Dla pomiarów SARPES, fotoelektrony o określonym kącie emisji i energii kinetycznej analizowane przez analizator elektronów są kierowane do dwóch detektorów spinowych typu VLEED z 90-stopniowym deflektorem fotoelektronów, a wiązki fotoelektronów są skupiane na dwóch różnych celach warstw Fe(001)-p(1×1) zakończonych tlenem. Fotoelektrony odbite od celów są wykrywane w detekcji jednokanałowej za pomocą channeltronu umieszczonego w każdym detektorze spinowym. Tarcze VLEED mogą być namagnesowane za pomocą cewek elektrycznych typu Helmholtza, które są ułożone z geometrią prostopadłą względem siebie. Kierunek namagnesowania jest kontrolowany przez bipolarny bank kondensatorów. Podwójne detektory spinowe VLEED umożliwiają nam zatem analizę wektora polaryzacji spinu fotoelektronu w trzech wymiarach.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Przykładowy montaż i instalacja

  1. Wytnij próbki monokryształów Bi2Se313 w przybliżonym rozmiarze 1 × 1 × 0,5 mm3 i użyj żywicy epoksydowej na bazie srebra, aby przykleić próbkę do uchwytu próbki.
  2. Wklej taśmę klejącą na powierzchnię próbki.
    UWAGA: Taśma klejąca służy do rozszczepiania próbki w komorze ultrawysokiej próżni (UHV) w celu uzyskania atomowo czystej powierzchni.
  3. Zainstaluj próbkę w magazynie próbek w zamku obciążenia i uruchom pompę, aż ciśnienie blokady obciążenia spadnie poniżej 1×10-5 Pa.

2. Cięcie próbki

  1. Otwórz zawór UHV między blokadą obciążenia a komorą przygotowawczą UHV.
  2. Przenieść magazyn próbek ze skały właściwej do komory przygotowawczej za pomocą przepustu liniowego/obrotowego, który jest przymocowany do komory blokady ładunku.
  3. Pobrać próbkę z magazynu próbek za pomocą pręta transferowego przymocowanego do komory przygotowawczej.
  4. Włóż magazynek próbek z powrotem do zamka obciążenia i zamknij zawór UHV.
  5. Poczekaj, aż ciśnienie w komorze przygotowawczej spadnie poniżej 5×10-7 Pa.
  6. Odkleić taśmę klejącą za pomocą chybotliwego patyczka w komorze przygotowawczej i rozciąć próbkę w warunkach UHV.

3. Przeniesienie próbki do pozycji pomiarowej

  1. Przenieś próbkę do komory pomiarowej UHV i przymocuj próbkę do głównego stolika gonio za pomocą śrubokręta wyposażonego w komorę pomiarową.
  2. Przesuń stolik gonio do pozycji pomiarowej i użyj stolika mikrometrycznego, aby precyzyjnie przesunąć pozycję próbki na ognisko spektrometru.

4. Konfiguracja lasera 7eV

  1. Włącz laser Nd:YVO4.
    UWAGA: Laser generuje światło laserowe o długości fali 355 nm z wysoką częstotliwością powtarzania 120 MHz.
  2. Otwórz migawkę wiązki laserowej i upewnij się, że laser przechodzi przez kryształ KBBF i generowana jest fala drugiej harmonicznej o długości fali 177 nm (6,994 eV).
  3. Zoptymalizuj moc lasera 7eV, zmieniając moc lasera 355 nm ze zmiennym tłumikiem.

5. Akwizycja danych ARPES

  1. Otwórz oprogramowanie sterujące analizatorem na komputerze stacjonarnym.
    UWAGA: Używamy "oprogramowania SES", które jest ogólnym programem do sterowania analizatorem ScientaOmicron z deflektorem elektronów.
  2. Wybierz Ustawienia... poniżej Sekwencja na pasku menu (Rysunek 2, krok i.2-1).
  3. Wybierz konfigurację ARPES (Rysunek 3, krok i.3-1) i ARPES Mapping z listy (Rysunek 3, krok i.3-2), aby wykonać mapowanie powierzchni Fermiego za pomocą deflektora fotoelektronów.
  4. Kliknij Edytuj (Rysunek 3, krok i.3-3) i skonfiguruj mapowanie powierzchni Fermiego w zakresie od -12° do 12° kąta emisji θy z rozmiarem kroku 0,5° (Rysunek 3, krok i.3-4).
    UWAGA: Analizator półkulisty z deflektorem elektronów umożliwia nam mapowanie powierzchni Fermiego bez rotacji próbki.
  5. Kliknij Uruchom (Rysunek 2, krok i.2-3).

6. Akwizycja danych SARPES

  1. Ręcznie zmień konfigurację maszyny do pomiaru SARPES, w tym szczelinę wejściową analizatora i rozmiar apertury (Rysunek 1).
  2. Wybierz Setup... poniżej Sequence na pasku menu (Rysunek 2, krok i.2-2).
  3. Wybierz z listy konfigurację wirowania (Rysunek 4, krok i.4-1) i Normalny (Rysunek 4, krok i.4-2), a następnie kliknij OK (Rysunek 4, krok i.4-3).
  4. Wybierz DA30 (Rysunek 5, krok i.5-1) na pasku menu i Kontroluj Theta... (Rysunek 5, krok i.5-2), aby otworzyć panel ustawień dla konfiguracji kąta DA30 (θx, θy).
  5. Wybierz kąt emisji (θx, θy) = (-6°, 0°), aby uzyskać widma SARPES (Rysunek 5, krok i.5-3).
  6. Zastosuj pole magnetyczne, sterując bipolarnym zespołem kondensatorów, aby namagnesować cel VLEED w kierunku dodatnim wzdłuż określonej osi (α: x, y lub z).
    UWAGA: W naszym systemie proces ten można wykonać za pomocą wiersza poleceń [Rysunek 6 (a)].
  7. Kliknij Uruchom, aby pobrać spektrum intensywności (Rysunek 2, krok i.2-3).
  8. Zastosuj pole magnetyczne, aby namagnesować cel VLEED w kierunku ujemnym wzdłuż α i rozpocznij skanowanie, aby uzyskać widmo intensywności.
  9. Oblicz polaryzację spinu i widma o rozdzielczości spinu.

7. Skanowanie zależności polaryzacji światła

  1. Zmień kąt płytki λ/2-waveplate precyzyjnie sterowany przez silnik krokowy, aby dostroić polaryzację światła lasera 7 eV.
    UWAGA: W naszym systemie proces ten można wykonać za pomocą wiersza poleceń [Rysunek 6 (b)].
  2. Weźmy widma o rozdzielczości spinowej dla osi x, y i z.
  3. Skanuj widma o rozdzielczości spinowej w funkcji polaryzacji światła, zmieniając kąt połowy płytki falowej od 0 ° do 102 ° z krokiem o 3 °.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Przed rozpoczęciem eksperymentów SARPES należy dokładnie określić k pozycji do pomiaru widma o rozdzielczości spinowej przy użyciu wysokostatystycznych wyników ARPES zintegrowanych ze spinem o wysokiej rozdzielczości energetycznej i kątowej (protokół 5.1-5.5). Jest to pokazane w Rysunek 7, gdzie przedstawione są wyniki ARPES dla monokryształu Bi2Se3. Materiał ten jest znany jako prototypowy izolator topologiczny z powierzchnią s...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Techniki ARPES i SARPES są powszechnie stosowane do badania elektronicznych struktur pasmowych poprzez mapowanie pasm i detekcję spinu 1,2. Oprócz tych ogólnych zalet pokazanych powyżej, laserowe SARPES oparte na regule selekcji orbitalnej w optycznym wzbudzeniu dipolowym mogą być stosowane jako nowatorska technika wizualizacji efektu sprzężenia spinowo-orbitalnego w funkcji falowej i kwantowej interferencji spinowej. Jak pokazano na rysunkac...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

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

Dziękujemy M. Nakayama, S. Toyohisa, A. Fukushima i Y. Ishida za wsparcie dla eksperymentalnej konfiguracji. Z wdzięcznością dziękujemy za dofinansowanie z JSPS Grantin-Aid for Scientific Research (B) w ramach Projektu nr 26287061 oraz dla Młodych Naukowców (B) w ramach Projektu nr 15K17675. Prace te były również wspierane przez MEXT z Japonii (Obszar Innowacyjny "Topological Materials Science", grant nr 16H00979) oraz JSPS KAKENHI (grant nr 16H02209)

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Analizator półkulisty DA30-LScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
Epoksydowatechnologia epoksydowaH20E
Taśma SctochZawór 3M801-1-18C
UHVVAT01034-KE01
przepust liniowy/obrotowyFerrovacMD40
pręt transferowyKonstrukcja UHV
FerrovacWM40
Paladin compact 355Spójna
półfalowa płytaKogakugikenna zamówienie
Bipolarny bank skraplaczaTsuji electronics
na bazie srebra Chybotliwy drążek serii PP

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

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

Powiązane artykuły