Name: Kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna w bardzo niskich temperaturach (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-10-09T12:55:00.000+00:00
Duration: 8 min 53 s
Description: Poznaj kątowo-rozdzielczą spektroskopię fotoemisyjną w bardzo niskich temperaturach do badania struktury elektronowej materiałów takich jak Sr2RuO4. Ta metoda umożliwia precyzyjne mapowanie powierzchni Fermiego i badanie nadprzewodnictwa.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Z wdzięcznością dziękujemy za pomoc Rolfowi Follathowi, Rolandowi Hübelowi, K. Möhlerowi, Dmytro Inosovowi, Jörgowi Finkowi, Andreasowi Koitzschowi, Berndowi Büchnerowi, Andriejowi Warychałowowi, Emile'owi Rienksowi, Oliverowi Raderowi, Setti Thirupathaiahowi, Denisowi Wialikowi, Siergiejowi Mołodsowowi, Clemensowi Laubschatowi, Ramonie Weber, Hermannowi Dürrowi, Wolfgangowi Eberhardtowi, Christianowi Jungowi, Thomasowi Blume'owi, Gerdowi Reichardtowi, David Batchelor, Kai Godehusen, Martin Knupfer, Stefan Leßny, Dirk Lindackers, Stefan Leger, Ralf Voigtländer, Ronny Schönfelder, którzy opracowali projekt "1-cubed", zaprojektowali, zbudowali i uruchomili linię badawczą i stację końcową, a także zapewnili wsparcie organizacyjne i użytkownika.
Projekt "1-sześcienny ARPES" został sfinansowany z grantu BMBF "Highest Resolution ARPES" oraz bezpośrednio przez BESSYII i IFW-Dresden. Ta konkretna praca była wspierana przez program priorytetowy DFG SPP1458, granty ZA 654/1-1, BO1912/3-1 i BO1912/2-2. E.C. i B.P.D. dziękują Wydziałowi Nauk Ścisłych Uniwersytetu w Johannesburgu za dofinansowanie podróży. A.V., R.F. i M.C. potwierdzają wsparcie ze strony UE-FP7/2007-2013 w ramach umowy o udzielenie dotacji N. 264098 - MAMA.

1. Montowanie próbki
<ol>
 <li>W eksperymencie wykorzystano promieniowanie synchrotronowe wytwarzane przez pierścień akumulacyjny BESSY w Helmholtz-Zentrum Berlin. Fotony przemieszczają się po linii badawczej do naszej stacji końcowej, gdzie montowana jest próbka.</li>
	<li>Zacznij od pojedynczego kryształu badanego materiału, tutaj rutenianu strontu. Użyj żywicy epoksydowej na bazie srebra, aby przykleić próbkę do uchwytu próbki. Żywica epoksydowa na bazie srebra zapewnia dobry kontakt termiczny i elektryczny.</li>
	<li>Przyklej aluminiowy słupek górny do powierzchni monokryształu. Górny słupek zostanie użyty do rozszczepienia próbki w ultrawysokiej próżni w celu odsłonięcia atomowo czystej powierzchni.</li>
	<li>Zamontuj uchwyt na próbkę w zamku obciążenia.</li>
</ol>
2. Osiągnięcie ultrawysokiej próżni i izolacji termicznej
<ol>
 <li>Rozpocznij opróżnianie blokady załadunku, aby zminimalizować zanieczyszczenie komory ultrawysokiej próżni.</li>
 <li>Monitoruj ciśnienie. Po osiągnięciu ciśnienia około 10-8 mbar należy przenieść zespół do komory przygotowawczej, a następnie do komory głównej. Zimny palec i uchwyt na próbkę zostały specjalnie zaprojektowane, aby zagwarantować najlepszy możliwy kontakt termiczny z garnkiem z helem.</li>
 <li>Te wersje demonstracyjne pokazują, w jaki sposób osiąga się to dzięki zastosowaniu powierzchni stożkowych w celu zwiększenia obszaru kontaktu. Stożkowe powierzchnie są dociskane do siebie, a uchwyt próbki i zimny palec są mocno mocowane za pomocą tytanowej nakrętki i.</li>
</ol>
3. Pozycjonowanie i chłodzenie próbki 
<ol>
 <li>Następnym krokiem jest zorientowanie próbki w zimnym palcu wzdłuż azymutu za pomocą ramienia przenoszącego. Ustal położenie próbki, dokręcając nakrętkę, jednocześnie przykładając siłę przeciwną z ramieniem podtrzymującym przymocowanym po przeciwnej stronie komory.</li>
 <li>Rozszczepić próbkę, przesuwając manipulator do góry, tak aby górny słupek został usunięty w wyniku interakcji z ramieniem nośnym.</li>
 <li>Przy zamkniętej przesłonie wiązki przesunąć próbkę na pozycję w linii badawczej za pomocą manipulatora. Po umieszczeniu próbki na miejscu upewnij się, że krioosłony są prawidłowo zamknięte.</li>
 <li>Rozpocząć pompowanie w zbiorniku 1-K i wprowadzić cyrkulację helu-3 w celu schłodzenia próbki do temperatury podstawowej. Temperatura jest mierzona blisko próbki i nie zmieni się podczas eksperymentu.</li>
 <li>Otwórz przesłonę wiązki beamline (oś wiązki światła) linii badawczej. Użyj mikrometrycznych na aparacie, aby wyregulować położenie próbki tak, aby znajdowała się w ogniskowej soczewki analizatora. Ta korekta ma kluczowe znaczenie.</li>
</ol>
4. Zbieranie danych
<ol>
 <li>Gdy konfiguracja jest gotowa, przełącz się na tryb rozdzielczości kątowej analizatora i zarejestruj widmo w trybie przemiatania. Spowoduje to wygenerowanie danych dla dwuwymiarowych wykresów kątów energetycznych.</li>
 <li>Skonstruuj mapę powierzchni Fermiego, korzystając z danych. Wybierz kąty biegunowe, które odpowiadają skrzyżowaniom poziomów Fermiego, aby zbadać nadprzewodzącą przerwę rutenianu strontu.</li>
 <li>Rejestruj widma o wysokiej rozdzielczości pod wybranymi kątami biegunowymi powyżej i poniżej temperatury przejścia rutenianu strontu w nadprzewodzeniu, aby zbadać zachowanie przerwy nadprzewodzącej.</li>
</ol>

<ol><li>Borisenko, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((One-Sign+Order+Parameter+in+Iron+Based+Superconductor%5BTitle%5D)+AND+%22Symmetry%22%5BJournal%5D)">One-Sign Order Parameter in Iron Based Superconductor.</a> Symmetry. 4, 251-264 (2012).</li>
<li>Maeno, Y., Hashimoto, H., Yoshida, K., Nishizaki, S., Fujita, T., Bednorz, J. G., Lichtenberg, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superconductivity+in+a+layered+perovskite+without+copper%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+%28London%29%22%5BJournal%5D)">Superconductivity in a layered perovskite without copper.</a> Nature (London). 372, 532(1994).</li>
<li>Singh, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relationship+of+Sr2RuO4+to+the+superconducting+layered+cuprates%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Relationship of Sr2RuO4 to the superconducting layered cuprates.</a> Phys. Rev. B. 52, 1358(1995).</li>
<li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+and+bulk+electronic+structure+of+the+unconventional+superconductor+Sr2RuO4%3A+unusual+splitting+of+the+%CE%B2+band%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Surface and bulk electronic structure of the unconventional superconductor Sr2RuO4: unusual splitting of the β band.</a> New Journal of Physics. 14, 63039(2012).</li>
<li>Stöwe, K., Wagner, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Crystal+Structure+and+Calculated+Electronic+Band+Structure+of+ZrTe3%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Solid+State+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Crystal Structure and Calculated Electronic Band Structure of ZrTe3.</a> Journal of Solid State Chemistry. 138, 160-168 (1998).</li>
<li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Momentum+and+temperature+dependence+of+renormalization+effects+in+the+high-temperature+superconductor+YBa2Cu3O7-%CE%B4%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Momentum and temperature dependence of renormalization effects in the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7-δ.</a> Phys. Rev. B. 76, 064519(2007).</li>
<li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Disentangling+surface+and+bulk+photoemission+using+circularly+polarized+light%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Disentangling surface and bulk photoemission using circularly polarized light.</a> Phys. Rev. B. 76, 024502(2007).</li>
<li>Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Kim, T. K., Nenkov, K. A., Knupfer, M., Fink, J., Golden, M. S., Berger, H., Follath, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Origin+of+the+Peak-Dip-Hump+Line+Shape+in+the+Superconducting-State+%28%CF%80%2C0%29+Photoemission+Spectra+of+Bi2Sr2CaCu2O8%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Origin of the Peak-Dip-Hump Line Shape in the Superconducting-State (π,0) Photoemission Spectra of Bi2Sr2CaCu2O8.</a> Phys. Rev. Lett. 89, 077003(2002).</li>
<li>Inosov, D. S., Fink, J., Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Schuster, R., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., D?rr, H. A., Eberhardt, W., Hinkov, V., Keimer, B., Berger, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Momentum+and+Energy+Dependence+of+the+Anomalous+High-Energy+Dispersion+in+the+Electronic+Structure+of+High+Temperature+Superconductors%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Momentum and Energy Dependence of the Anomalous High-Energy Dispersion in the Electronic Structure of High Temperature Superconductors.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 237002(2007).</li>
<li>Inosov, D. S., Schuster, R., Kordyuk, A. A., Fink, J., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Evtushinsky, D. V., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., Berger, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Excitation+energy+map+of+high-energy+dispersion+anomalies+in+cuprates%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Excitation energy map of high-energy dispersion anomalies in cuprates.</a> Phys. Rev. B. 77, 212504(2008).</li>
<li>Hüfner, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aH%C3%BCfner%2C+S+%22Photoelectron+Spectroscopy%2C+Principles+and+Applications%22">Photoelectron Spectroscopy, Principles and Applications</a>. , 2nd Edition, Springer Verlag. Heidelberg. (1996).</li>
</ol>

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Jak wykazano powyżej, zastosowana metoda jest bardzo skuteczna w badaniu niskoenergetycznej struktury elektronowej monokryształów. Niedawne ulepszenia instrumentalne sprawiły, że ARPES przestał być zwykłym narzędziem do charakteryzowania i mapowania pasm, a stał się wyrafinowaną spektroskopią wielu ciał. Nowoczesny eksperyment dostarcza informacji o strukturze elektronowej ciała stałego lub nanoobiektu z nową precyzją. Dostęp do powierzchni Fermiego w przypadku metalu, przerw energetycznych półprzewodników i izolatorów, ...

Obecnie ARPES jest powszechnie używany do określania struktury elektronowej ciał stałych. Zwykle różne warianty tej metody są definiowane przez źródło promieniowania potrzebnego do wzbudzenia elektronów. Używamy promieniowania synchrotronowego, ponieważ daje ono unikalną możliwość dostrojenia polaryzacji i energii fotonów wzbudzenia w szerokim zakresie energii i charakteryzuje się dużą intensywnością, małą szerokością pasma (niepewność energii hn) i może być skupione na wąskiej wiązce w celu zebrania fotoelektronów z miejsca o wielkości kilkudziesięciu mikronów. Promieniowanie synchrotronowe generowane jest w pierścieniach akumulujących elektrony, zmuszających krążące w pierścieniu elektrony o energii rzędu 2 GeV** do przechodzenia przez okresowe układy silnych magnesów (undulatorów). Pole magnetyczne odchyla elektrony, a gdy takie szybkie elektrony zmieniają swój kierunek, emitują promieniowanie. Dokładnie to promieniowanie jest następnie kierowane do tzw. linii badawczej, gdzie jest dalej monochromatyzowane przez siatkę dyfrakcyjną i skupiane na powierzchni próbki przez kilka luster. Na całym świecie istnieje wiele takich obiektów. Nasza stacja końcowa znajduje się na jednej z linii badawczych pierścienia magazynowego BESSY należącego do Helmholtz-Zentrum Berlin.
Sercem tego obiektu ARPES jest analizator energii elektronów (Rysunek 1). Ponieważ interesuje nas zarówno energia kinetyczna, jak i kąt, pod jakim elektrony opuszczają powierzchnię, bardzo wygodnie jest wykryć je w jednym pomiarze. Bardzo prosta zasada sprawia, że takie podejście staje się rzeczywistością. Podobnie jak w podstawowym eksperymencie z soczewką optyczną, która skupia falę płaską w punkcie w tylnej płaszczyźnie ogniskowej, wykonując w ten sposób przestrzenną transformację Fouriera, elektronowa soczewka optyczna rzutuje elektrony, które opuściły powierzchnię pod określonym kątem, do punktu w płaszczyźnie ogniskowej (rysunek 1). W ten sposób uzyskujemy dostęp do przestrzeni odwrotnościowej, czyli pędu. Odległość od kierunku do przodu w płaszczyźnie ogniskowej odpowiada kątowi, a tym samym pędowi fotoelektronu. Teraz elektrony muszą być analizowane pod względem energii. W tym celu szczelina wejściowa analizatora półkulistego jest umieszczona dokładnie w płaszczyźnie ogniskowej elektronowej soczewki optycznej. Napięcia na dwóch półkulach są tak dobrane, że tylko elektrony o określonej energii kinetycznej (energii przejścia) zostaną poprowadzone dokładnie w środku dwóch półkul i wylądują na centralnej linii dwuwymiarowego detektora. Te, które są szybsze, uderzą w detektor bliżej półkuli zewnętrznej; Te, które są wolniejsze, zostaną odchylone w kierunku półkuli wewnętrznej. W ten sposób możemy uzyskać rozkład intensywności fotoemisji w funkcji kąta i energii kinetycznej jednocześnie.
Główną przewagą naszego podejścia nad istniejącymi metodami jest użycie kriomanipulatora He3. Istnieją co najmniej dwa powody, dla których warto przeprowadzać pomiary w niskich temperaturach. Im wyższa temperatura materiału, tym bardziej rozmazane stają się stany elektronowe pod względem energii i pędu. Aby określić strukturę elektronową z dużą precyzją, należy unikać tego rozszerzania się temperatury. Ponadto wiele właściwości fizycznych jest zależnych od temperatury, niektóre zjawiska porządkujące zachodzą w niskich temperaturach, a fundamentalne znaczenie ma znajomość struktury elektronowej w stanie podstawowym układu, czyli przy T=0. Jednym z najskuteczniejszych sposobów schłodzenia próbki do dziesiątych części kelwina jest skroplenie gazu He3. W wielu eksperymentach osiągnięcie temperatur poniżej Kelvina nie stanowi problemu, ponieważ promieniowanie cieplne, główny wróg ultraniskich temperatur, może być skutecznie osłonięte. Niestety, nie ma to miejsca w eksperymentach z fotoemisją. Musimy zapewnić swobodny dostęp dla przychodzącego światła i wychodzących elektronów. Jest to realizowane poprzez specjalnie zaprojektowane szczeliny w trzech osłonach radiacyjnych, o różnych temperaturach. Aby skompensować obciążenie cieplne spowodowane wiązką fotonów i promieniowaniem o temperaturze pokojowej, moc chłodzenia kriostatu powinna być bardzo wysoka. Osiąga się to dzięki bardzo dużej prędkości pompowania dwóch pomp, które zmniejszają ciśnienie pary powyżej cieczy He3, chłodząc w ten sposób zimny palec i próbkę. Specyfikacje konstrukcyjne naszego systemu He3 sprawiają, że jest on najpotężniejszy na świecie. Jest to prawdopodobnie jedyne miejsce na planecie, gdzie można zobaczyć zimną powierzchnię o temperaturze 1 K przez okno o temperaturze pokojowej, "najzimniejsze widzialne".
Szkic nowoczesnego eksperymentu fotoemisyjnego pokazany jest na rysunku 1. Wiązka synchrotronowa (przerywana zielona linia) oświetla zimną powierzchnię próbki o temperaturze 1 K i wzbudza fotoelektrony. Elektrony są rzutowane na szczelinę wejściową analizatora półkulistego, sortowane pod względem kąta (żółte, purpurowe i cyjanowe ślady odpowiadają różnym kątom nachylenia), a następnie analizowane pod względem energii kinetycznej. Rysunek 2 przedstawia typowy rozkład intensywności w funkcji kąta nachylenia i energii kinetycznej. Taki rozkład intensywności jest rzeczywiście oczekiwany, co pokazuje porównanie z obliczeniami struktury pasmowej tego materiału (prawy panel). To jest nasze okno na wzajemną przestrzeń.
Skanując napięcia na soczewce i półkulach oraz obracając próbkę wokół osi pionowej (kąta biegunowego), możemy badać szeroki zakres energii wiązania, jak również szerokie obszary przestrzeni odwrotności z niespotykanymi dotąd szczegółami. W szczególności, wykreślając intensywność na poziomie Fermiego w funkcji obu składowych pędu w płaszczyźnie, obliczonej na podstawie kątów nachylenia i biegunowych, mamy bezpośredni dostęp do powierzchni Fermiego (FS).
* Pod pojęciem "niepewności" rozumiemy najlepsze oszacowanie eksperymentatora, jak daleko od "prawdziwej wartości może znajdować się wielkość eksperymentalna".
** Niskoenergetyczny pierścień może mieć energię ~0,8 GeV, wysokoenergetyczny - do 8 GeV.

<table><tbody><tr><td>Monokryształy ZrTe3 i TiSe2</td><td></td><td></td><td>wyhodowane przez dr Helmuta Bergera, EPFL, Lozanna</td></tr><tr><td>Monokryształy Sr2RuO4</td><td></td><td></td><td>wyhodowane przez grupę dr Antonio Vecchione</td></tr><tr><td colspan="4">SAMPLES ZrTe3, TiSe2, Sr2RuO4</td></tr></tbody></table>

kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna w bardzo niskich temperaturach

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

Właściwości fizyczne materiału są definiowane przez jego strukturę elektronową. Elektrony w ciałach stałych charakteryzują się energią (ω) i pędem (k), a prawdopodobieństwo znalezienia ich w określonym stanie przy danym ω i k opisuje funkcja widmowa A(k, ω). Funkcję tę można bezpośrednio zmierzyć w eksperymencie opartym na dobrze znanym efekcie fotoelektrycznym, za wyjaśnienie którego Albert Einstein otrzymał Nagrodę Nobla w 1921 roku. W efekcie fotoelektrycznym światło padające na powierzchnię wyrzuca elektrony z materiału. Według Einsteina zasada zachowania energii pozwala określić energię elektronu wewnątrz próbki, pod warunkiem, że znana jest energia fotonu światła i energia kinetyczna wychodzącego fotoelektronu. Zasada zachowania pędu umożliwia również oszacowanie k w odniesieniu do pędu fotoelektronu poprzez pomiar kąta, pod jakim fotoelektron opuścił powierzchnię. Współczesna wersja tej techniki nazywa się Angle-Resolution Photoemission Spectroscopy (ARPES) i wykorzystuje oba prawa zachowania w celu określenia struktury elektronowej, tj. energii i pędu elektronów wewnątrz ciała stałego. W celu wyjaśnienia szczegółów kluczowych dla zrozumienia aktualnych problemów fizyki materii skondensowanej należy zminimalizować trzy wielkości: niepewność* energii fotonów, niepewność energii kinetycznej fotoelektronów oraz temperaturę próbki.
W naszym podejściu łączymy trzy ostatnie osiągnięcia w dziedzinie promieniowania synchrotronowego, nauki o powierzchni i kriogeniki. Wykorzystujemy promieniowanie synchrotronowe o regulowanej energii fotonów wnoszącej niepewność rzędu 1 meV, analizator energii elektronów, który wykrywa energie kinetyczne z precyzją rzędu 1 meV oraz kriostat He3, który pozwala utrzymać temperaturę próbki poniżej 1 K. Omówiono przykładowe wyniki uzyskane na monokryształach Sr2RuO4 i niektórych innych materiałach. Strukturę elektronową tego materiału można określić z niespotykaną dotąd klarownością.

Ultra-niskie temperatury w naszej konfiguracji, w połączeniu z wysoką rozdzielczością linii wiązki i analizatora, pozwalają nam rejestrować widma o bardzo wysokiej rozdzielczości całkowitej. Zostało to zilustrowane na Rysunku 3. Standardowym testem rozdzielczości energetycznej jest pomiar szerokości krawędzi Fermiego metalu. W tym przypadku jest to świeżo odparowana warstwa indu. Pełna szerokość połówkowa (FWHM) rozkładu Gaussa, który po splotcie z funkcją skokową precyzyjnie opisuje krawędź, wynosi okoł...

Ogólnym celem tej metody jest określenie niskoenergetycznej struktury elektronowej ciał stałych w ultra niskich temperaturach za pomocą kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoemisyjnej z promieniowaniem synchrotronowym.

Kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna w bardzo niskich temperaturach

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest określenie niskoenergetycznej struktury elektronowej ciał stałych w ultraniskich temperaturach za pomocą kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoemisyjnej lub arrp pez z promieniowaniem synchrotronowym. W urządzeniach do promieniowania synchrotronowego, komorze ultra wysokiej próżni przymocowanej do linii wiązki, pojedynczy kryształ badanego materiału jest rozszczepiany, odsłaniając atomowo czystą powierzchnię w drugim etapie. Próbka jest schładzana poniżej jednego kelwina, co zapewnia minimalne poszerzenie temperatury i bliskość stanu podstawowego materiału.Następnie rejestrowana jest intensywność emisji zdjęć w funkcji nachylenia, kąta i energii oraz geometrii statycznej. Obracając próbkę, można zebrać informacje z dużej części przestrzeni energii pędu potrzebnej do uzyskania mapy powierzchni twardej i dyspersji zbliżonych do poziomu twardości Uzyskuje się wyniki, które pokazują, że niskoenergetyczną strukturę elektronową złożonych materiałów można określić z niespotykaną dotąd jasnością i rozdzielczością. Wykorzystanie helu i trialomanipulatora kriogenicznego i synchrotronowego kąta arrp e Wynik spektroskopii emisyjnej jest techniką opartą na prostym efekcie fotoelektrycznym, który został odkryty i wyjaśniony ponad sto lat temu.Dzisiaj używamy tej techniki w celu określenia struktury elektronowej ciał stałych z bardzo dużą precyzją. W naszym podejściu. Korzystamy z trzech najnowszych osiągnięć w dziedzinie promieniowania synchrotronowego, powierzchnioznawstwa i kriogeniki.Używamy dostrajalnych zdjęć wysiękowych, które przyczyniły się do pewności jednego milielektronu Walta. Energię kinetyczną naszych fotoelektronów wykrywamy z niepewnością jednego milielektronu Walta, a co jest ważniejsze? Używamy kriostatu helowo-trzy, który pozwala utrzymać temperaturę naszych próbek poniżej jednej kolumny.Ze względu na te trzy nazywamy nasz system jednym sześcianem, używamy specjalnie zaprojektowanego kriostatu helowo-trójkriostatycznego, który zapewnia swobodny dostęp dla przychodzącego światła i wychodzących elektronów. Konstrukcja naszego systemu sprawia, że jest on najpotężniejszy na świecie. Rzeczywiście. Dzięki temu systemowi możliwe jest zobaczenie powierzchni przy jednej kolumnie przez okno temperatury pokojowej.Dzięki tej technice i takiej konfiguracji możemy odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie systemów elektronicznych. W szczególności w przypadku nadprzewodnictwa możemy określić strukturę drugiego parametru, aby dowiedzieć się, co napędza to zjawisko. W eksperymencie wykorzystano promieniowanie synchrotronowe wytwarzane przez pierścień magazynujący Bessie steru Holt Centrum Berlin.Fotony przemieszczają się po linii badawczej do naszej stacji końcowej, gdzie montowana jest próbka. Zacznij od pojedynczego kryształu materiału, który ma być tutaj badany. STR oddawanie moczu Użyj żywicy epoksydowej na bazie srebra, aby przykleić próbkę do uchwytu próbki.Żywica epoksydowa na bazie srebra zapewnia dobry termiczny i elektryczny klej kontaktowy. Aluminiowy słupek górny do powierzchni monokryształu. Górny słupek będzie używany do rozszczepiania próbki w ultra wysokiej próżni w celu odsłonięcia anatomicznie czystego mocowania powierzchniowego, uchwyt próbki w zamku obciążenia rozpocznie ewakuację blokady ładunku, aby zminimalizować zanieczyszczenie komory ultra wysokiej próżni.Monitoruj ciśnienie. Po osiągnięciu ciśnienia około 10 do minus ośmiu milibarów należy przenieść zestaw do komory przygotowawczej, a następnie do komory głównej. Zimny palec i uchwyt na próbkę zostały specjalnie zaprojektowane, aby zagwarantować najlepszy możliwy kontakt termiczny z garnkiem z helem.Te wersje demonstracyjne pokazują, w jaki sposób osiąga się to dzięki zastosowaniu powierzchni stożkowych w celu zwiększenia obszaru kontaktu. Stożkowe powierzchnie są dociskane do siebie, a uchwyt próbki i zimny palec są mocno mocowane na miejscu za pomocą tytanowej nakrętki i. System przenoszenia został zaprojektowany w taki sposób, aby zminimalizować kontakt termiczny z zespołem, co widać w tym urządzeniu demonstracyjnym.Osiąga się to za pomocą cienkiej tytanowej rurki z wieloma otworami jako głównego elementu nośnego zespołu. Na końcu ramienia przenoszącego znajduje się śrubokręt aktywowany sprężyną wewnątrz zespołu do regulacji położenia kątowego próbki. Następnym krokiem jest zorientowanie próbki w zimnym palcu wzdłuż asmutu za pomocą ramienia przenoszącego.Ustal położenie próbki, dokręcając nakrętkę, jednocześnie przykładając siłę przeciwną z ramieniem podtrzymującym przymocowanym po przeciwnej stronie komory. Unieruchomić próbkę, przesuwając manipulator w górę, tak aby górny słupek został usunięty przez interakcję z ramieniem nośnym. Przy zamkniętej żaluzji wiązki przesunąć próbkę na pozycję w linii wiązki za pomocą manipulatora.Gdy próbka jest na miejscu, upewnij się, że osłony kriogeniczne są prawidłowo zamknięte. Rozpocznij pompowanie w zbiorniku o temperaturze jednego kelvina i cyrkuluj hel trzy, aby schłodzić próbkę do temperatury podstawowej. Otwórz żaluzję belki linii belki.Użyj mikrometrycznych na aparacie, aby wyregulować położenie próbki tak, aby znajdowała się w ogniskowej soczewki analizatora. Ta korekta ma kluczowe znaczenie. Gdy konfiguracja jest gotowa, przełącz się na tryb rozdzielczości kątowej analizatora i zarejestruj widmo w trybie przemiatania.Spowoduje to wygenerowanie danych dla dwuwymiarowych wykresów kątów energii. Przeprowadź mapę powierzchni furii, korzystając z danych. Wybierz kąty biegunowe, które odpowiadają jednolicie kolejowym.W celu zbadania nadprzewodzącej przerwy w oddawaniu moczu w warstwie, zapisz widma o wysokiej rozdzielczości pod wybranymi kątami biegunowymi powyżej i poniżej temperatury przejścia nadprzewodzącego warstwy moczu, aby zbadać zachowanie przerwy nadprzewodzącej. Pokazano tutaj natężenie fotoelektronów w funkcji kąta nachylenia i energii. Na próbkę cyrkonu trzy tellurki.Porównaj to z teoretycznymi obliczeniami struktury pasmowej dla tego samego materiału. Standardowym testem rozdzielczości energetycznej jest zmierzenie pełnej szerokości w połowie maksimum Gaussa, który w połączeniu z funkcją krokową opisuje twardą krawędź. Pełne dopasowanie Gaussa przy połowie maksymalnego używanego dopasowania.Te dane dla świeżo odparowanego indu są rzędu dwóch mili objętości elektronów. Poniżej znajduje się wykres krzywej rozkładu energii w nadprzewodzącej próbce arsenku litowo-jonowego pobranej wraz z systemem. Innym przykładem rozwiązania, które można tutaj osiągnąć, jest krzywa rozkładu pędu na poziomie twardnienia tellurku cyrkonu trójkowego.Przewidywana ogólna rozdzielczość energetyczna systemu jest wyrażona za pomocą wzoru pokazanego poniżej. Rzeczywista wydajność jest bardzo zbliżona do tego celu. Po lewej stronie znajduje się typowe widmo wykonane w celu zbadania nadprzewodzącej przerwy warstwy brunatnej dla T równej 970 milikelwinom.Strzałka wskazuje pęd odpowiadający krzywej rozkładu energii po prawej stronie. Obraz po prawej stronie pokazuje przesunięcie krawędzi natarcia zintegrowanej krzywej rozkładu energii dla próbki str i oddawania moczu powyżej i poniżej temperatury przejścia nadprzewodzącego. Widmo użyte do obliczeń jest pokazane po lewej stronie.Okno pędu jest wskazywane przez szerokość czerwonej strzałki. Innym przykładem jest szczelina odpowiadająca punktowi powierzchni ujędrniającej na opasce w pobliżu przekątnej strefy ściany Brill. Oto przesunięcie krzywej rozkładu energii w funkcji temperatury z innego punktu na powierzchni firmi strate.Wreszcie, system pozwala na pomiar typowego zachowania temperaturowego energii wiązania krawędzi natarcia w pobliżu skrzyżowania dwóch powierzchni furii. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu ośmiu godzin, jeśli wszystko zostanie wykonane prawidłowo. To jest w ciągu jednej zmiany typowej operacji w strefie syn.Podczas próby wykonania tej procedury bardzo ważne jest, aby postępować zgodnie ze wszystkimi opisanymi krokami z zachowaniem wysokiego stopnia środków ostrożności, smarując próbkę podczas przenoszenia próbki. Nieudane rozszczepienie z powodu złego przygotowania próbki lub po prostu złej regulacji, wszystko to może prowadzić do niepowodzenia całego eksperymentu. Technika ta dostarcza informacji o strukturze elektronowej ciała stałego lub obiektów inana.Dzięki nowemu poziomowi precyzji mamy dostęp do map powierzchni firmy, dyspersji zgięć i porównanie z tymi danymi, z obliczeniami struktury zgięcia EB pozwala nam określić randomizację szerokości pasma lub normalizację prędkości. W ten sposób możemy ocenić złożoność materiałów pod względem korelacji. Zdefiniowane struktury w pobliżu poziomu twardego pozwalają na wykrycie odcisków palców interakcji między elektronami a innymi stopniami swobody, takimi jak fonony, plazmina lub magnesy.Korzystając z systematycznego badania zależnego od pędu, można zobaczyć zależność przerwy nadprzewodzącej w funkcji pędu. W ten sposób uzyskujemy informacje o wszystkich parametrach, ich symetrii i strukturze. Eksperyment ten może stanowić ostateczny test dla istniejących teorii, a także stymulować nowe ścieżki badań.

angle-resolved-photoemission-spectroscopy-at-ultra-low-temperatures

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Spektroskopia fotoemisyjna z rozdzielczością kątową w ekstremalnie niskich temperaturach

Manuskrypt opisuje metodę quasi-rezonansowej spektroskopii fluorescencyjnej wspomaganej fononem, która obejmuje zarówno spektroskopię o ograniczonej rozdzielczości laserowej, jak i spektroskopię fotoluminescencji (PL). Metoda ta wykorzystuje fonony optyczne do zapewnienia widm o ograniczonej szerokości linii struktur półprzewodnikowych podobnych do atomów w domenie energetycznej. Metodę tę można również łatwo zrealizować za pomocą pojedynczej konfiguracji spektrometru spektroskopii optycznej.

Spektroskopia fluorescencyjna quasi-rezonansowa wspomagana fononami o wysokiej rozdzielczości

Tenadrifluoroacetonian europu (EuTFC) ma linię luminescencji optycznej o długości fali 612 nm, której skuteczność aktywacji znacznie spada wraz z temperaturą. Jeśli próbka pokryta cienką warstwą tego materiału zostanie zmikroobrazowana, intensywność odpowiedzi luminescencyjnej 612 nm może zostać przekształcona w bezpośrednią mapę temperatury powierzchni próbki.

Mikroobrazowanie termiczne o wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem powłok luminescencyjnych z chelatem europu

Tutaj prezentujemy metodę spektroskopowej charakterystyki cząsteczek organicznych za pomocą czasowo-rozdzielczej spektroskopii fotoluminescencyjnej w skali nanosekundowej do milisekundowej w warunkach beztlenowych. Opisano również metody skutecznego usuwania tlenu z próbek, a tym samym ograniczania wygaszania luminescencji.

Czasowo-rozdzielcza charakterystyka fotofizyczna związków organicznych zbierających potrójnie w środowisku beztlenowym przy użyciu kamery iCCD

Demonstrujemy całkowicie elektroniczną metodę obserwacji dynamiki ładunków nanosekundowych domieszek atomów w krzemie za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego.

W pełni elektroniczna skaningowa mikroskopia tunelowa z nanorozdzielczością: ułatwiająca badanie dynamiki ładunku pojedynczej domieszki

Ten protokół opisuje kluczowe kroki do przeprowadzania i analizowania eksperymentów z pompą-sondą, łącząc femtosekundowy laser optyczny z laserem na swobodnych elektronach, w celu zbadania ultraszybkich reakcji fotochemicznych w cząsteczkach fazy gazowej.

Eksperymentalny protokół dla femtosekundowego NIR/UV - Eksperymenty z pompą i sondą XUV z laserami na swobodnych elektronach

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.

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

Tutaj prezentujemy protokół dla typowych eksperymentów miękkiej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (sXAS) i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego (RIXS) z zastosowaniem w badaniach materiałów akumulatorowych.

Wrażliwe na pierwiastki wykrywanie chemii w bateriach za pomocą miękkiej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego

Tutaj prezentujemy protokół obrazowania fotoelektronów gatunków anionowych. Aniony generowane w próżni i rozdzielane za pomocą spektrometrii mas są badane za pomocą obrazowania fotoelektronów z mapowaniem prędkości, dostarczając szczegółowych informacji na temat poziomów energii anionów i neutralnych, struktury anionów i neutralnych oraz natury stanu elektronowego anionów.

Fotoelektronowe obrazowanie anionów zilustrowane oderwaniem f− o długości fali 310 nm

Przedstawiamy protokół do badania ultraszybkich koherencji wibracyjnych w wieloatomowych kationach rodników, które skutkują dysocjacją molekularną.

Pomiar ultraszybkich koherencji wibracyjnych w wieloatomowych kationach rodnikowych z jonizacją adiabatyczną w silnym polu

Laserowo podgrzewane diamentowe kowadełko w połączeniu z technikami mikrodyfrakcji synchrotronowej pozwala badaczom badać naturę i właściwości nowych faz materii w ekstremalnych warunkach ciśnienia i temperatury (PT). Próbki heterogeniczne można scharakteryzować in situ pod wysokim ciśnieniem za pomocą mapowania 2D i połączonych metod dyfrakcji proszkowej, monokrystalicznej i wieloziarnistej.

Synteza i mikrodyfrakcja w ekstremalnych ciśnieniach i temperaturach

Poznaj kątowo-rozdzielczą spektroskopię fotoemisyjną w bardzo niskich temperaturach do badania struktury elektronowej materiałów takich jak Sr2RuO4. Ta metoda umożliwia precyzyjne mapowanie powierzchni Fermiego i badanie nadprzewodnictwa.

Kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna w bardzo niskich temperaturach

Przeglądaj więcej filmów