Name: Eksperymentalne metody spektroskopii fotoemisyjnej ze spinową i kątową rozdzielczością w połączeniu z laserem o zmiennej polaryzacji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-06-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Poznaj spektroskopię fotoemisyjną SARPES ze zmienną polaryzacją lasera 7 eV do badania sprzężenia spin-orbitowego w ciałach stałych. Ta metoda umożliwia precyzyjne wyznaczenie struktur spinowych elektronów.

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

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)

1. Przykładowy montaż i instalacja
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Wklej taśmę klejącą na powierzchnię próbki. 
	UWAGA: Taśma klejąca służy do rozszczepiania próbki w komorze ultrawysokiej próżni (UHV) w celu uzyskania atomowo czystej powierzchni.</li>
	<li>Zainstaluj próbkę w magazynie próbek w zamku obciążenia i uruchom pompę, aż ciśnienie blokady obciążenia spadnie poniżej 1×10-5 Pa.</li>
</ol>
2. Cięcie próbki
<ol>
	<li>Otwórz zawór UHV między blokadą obciążenia a komorą przygotowawczą UHV.</li>
	<li>Przenieść magazyn próbek ze skały właściwej do komory przygotowawczej za pomocą przepustu liniowego/obrotowego, który jest przymocowany do komory blokady ładunku.</li>
	<li>Pobrać próbkę z magazynu próbek za pomocą pręta transferowego przymocowanego do komory przygotowawczej.</li>
	<li>Włóż magazynek próbek z powrotem do zamka obciążenia i zamknij zawór UHV.</li>
	<li>Poczekaj, aż ciśnienie w komorze przygotowawczej spadnie poniżej 5×10-7 Pa.</li>
	<li>Odkleić taśmę klejącą za pomocą chybotliwego patyczka w komorze przygotowawczej i rozciąć próbkę w warunkach UHV.</li>
</ol>
3. Przeniesienie próbki do pozycji pomiarowej
<ol>
	<li>Przenieś próbkę do komory pomiarowej UHV i przymocuj próbkę do głównego stolika gonio za pomocą śrubokręta wyposażonego w komorę pomiarową.</li>
	<li>Przesuń stolik gonio do pozycji pomiarowej i użyj stolika mikrometrycznego, aby precyzyjnie przesunąć pozycję próbki na ognisko spektrometru.</li>
</ol>
4. Konfiguracja lasera 7eV
<ol>
	<li>Włącz laser Nd:YVO4. 
	UWAGA: Laser generuje światło laserowe o długości fali 355 nm z wysoką częstotliwością powtarzania 120 MHz.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Zoptymalizuj moc lasera 7eV, zmieniając moc lasera 355 nm ze zmiennym tłumikiem.</li>
</ol>
5. Akwizycja danych ARPES
<ol>
	<li>Otwórz oprogramowanie sterujące analizatorem na komputerze stacjonarnym. 
	UWAGA: Używamy "oprogramowania SES", które jest ogólnym programem do sterowania analizatorem ScientaOmicron z deflektorem elektronów.</li>
	<li>Wybierz Ustawienia... poniżej Sekwencja na pasku menu (Rysunek 2, krok i.2-1).</li>
	<li>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.</li>
	<li>Kliknij Edytuj (<silna klasa="xfig">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° (<silna klasa="xfig">Rysunek 3, krok i.3-4). 
	UWAGA: Analizator półkulisty z deflektorem elektronów umożliwia nam mapowanie powierzchni Fermiego bez rotacji próbki.</li>
	<li>Kliknij Uruchom (Rysunek 2, krok i.2-3).</li>
</ol>
6. Akwizycja danych SARPES
<ol>
	<li>Ręcznie zmień konfigurację maszyny do pomiaru SARPES, w tym szczelinę wejściową analizatora i rozmiar apertury (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 1).</li>
	<li>Wybierz Setup... poniżej Sequence na pasku menu (Rysunek 2, krok i.2-2).</li>
	<li>Wybierz z listy konfigurację wirowania (Rysunek 4, krok i.4-1) i Normalny (<silna klasa="xfig">Rysunek 4, krok i.4-2), a następnie kliknij OK (<silna klasa="xfig">Rysunek 4, krok i.4-3).</li>
	<li>Wybierz DA30 (<silna klasa="xfig">Rysunek 5, krok i.5-1) na pasku menu i Kontroluj Theta... (<silna klasa="xfig">Rysunek 5, krok i.5-2), aby otworzyć panel ustawień dla konfiguracji kąta DA30 (θx, θy).</li>
	<li>Wybierz kąt emisji (θx, θy) = (-6°, 0°), aby uzyskać widma SARPES (<silna klasa="xfig">Rysunek 5, krok i.5-3).</li>
	<li>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)].</li>
	<li>Kliknij Uruchom, aby pobrać spektrum intensywności (<silna klasa="xfig">Rysunek 2, krok i.2-3).</li>
	<li>Zastosuj pole magnetyczne, aby namagnesować cel VLEED w kierunku ujemnym wzdłuż α i rozpocznij skanowanie, aby uzyskać widmo intensywności.</li>
	<li>Oblicz polaryzację spinu i widma o rozdzielczości spinu.</li>
</ol>
7. Skanowanie zależności polaryzacji światła
<ol>
	<li>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)].</li>
	<li>Weźmy widma o rozdzielczości spinowej dla osi x, y i z.</li>
	<li>Skanuj widma o rozdzielczości spinowej w funkcji polaryzacji światła, zmieniając kąt połowy płytki falowej od 0 ° do 102 ° z krokiem o 3 °.</li>
</ol>

<ol><li>Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -X. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.75.473">Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors.</a> Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).</li>
<li>Johnson, P. D. Spin-polarized photoemission. Rep. Prog. Phys. 60 (11), Available from:
 <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/60/11/002/meta">http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/60/11/002/meta</a> 1217-1304 (1997).</li>
<li>Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -G., Kakizaki, A. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1148401">A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency.</a> Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).</li>
<li>Dil, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spin+and+angle+resolved+photoemission+on+non-magnetic+low-dimensional+systems%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Condens.+Matter%22%5BJournal%5D)">Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems.</a> J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001(2009).</li>
<li>Hoesch, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0368204802000580">Spin-polarized Fermi surface mapping.</a> J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).</li>
<li>Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrahigh-resolution+spin-resolved+photoemission+spectrometer+with+a+mini+Mott+detector%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101(2010).</li>
<li>Okuda, T., Kimura, A. <a target="_blank" href="http://journals.jps.jp/doi/10.7566/JPSJ.82.021002">Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002(2013).</li>
<li>Okuda, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+spin-polarized+photoemission+spectrometer+with+very+high+efficiency+and+energy+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution.</a> Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117(2008).</li>
<li>Jozwiak, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+high-efficiency+spin-resolved+photoemission+spectrometer+combining+time-of-flight+spectroscopy+with+exchange-scattering+polarimetry%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904(2010).</li>
<li>Okuda, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+spin+resolved+spectroscopy+observation+machine+at+Hiroshima+Synchrotron+Radiation+Center%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center.</a> Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302(2011).</li>
<li>Yaji, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+three-dimensional+spin-+and+angle-resolved+photoelectron+spectrometer+using+vacuum+ultraviolet+laser+light%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light.</a> Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111(2016).</li>
<li>Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. <a target="_blank" href="http://journals.jps.jp/doi/abs/10.7566/JPSJ.84.072001">Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001(2015).</li>
<li>Augustine, S., Mathai, E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025540801007176">Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals.</a> Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).</li>
<li>Hasan, M. Z., Kane, C. L. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.82.3045">Colloquium: Topological insulators.</a> Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).</li>
<li>Ando, Y. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/pdf/1304.5693.pdf">Topological insulator materials.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011(2013).</li>
<li>Zhang, H., Liu, C. -X., Qi, X. -L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -C. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nphys1270">Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface.</a> Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).</li>
<li>Cao, Y., et al. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nphys2685">Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators.</a> Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).</li>
<li>Zhang, H., Liu, C. -X., Zhang, S. -C. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1211.0762">Spin-orbital texture in topological insulators.</a> Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801(2013).</li>
<li>Kuroda, K., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.94.165162">Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3.</a> Phys. Rev. B. 94 (16), 165162(2016).</li>
<li>Meier, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interference+of+spin+states+in+photoemission+from+Sb%2FAg%28111%29+surface+alloys%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys-Condens+Mat%22%5BJournal%5D)">Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys.</a> J Phys-Condens Mat. 23 (7), URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/23/7/072207/meta 072207(2011).</li>
<li>Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0368204814002308">Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature.</a> J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).</li>
<li>Yaji, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spin-dependent+quantum+interference+in+photoemission+process+from+spin-orbit+coupled+states%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Commun%22%5BJournal%5D)">Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states.</a> Nature Commun. 8, 14588(2017).</li>
<li>Noguchi, R., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.95.041111">Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states.</a> Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R)(2017).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

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...

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 <silna klasa="xfig">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.

<table><tbody><tr><td>Analizator półkulisty DA30-L</td><td>ScientaOmicron</td><td></td><td>http://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170</td></tr><tr><td>Epoksydowa</td><td>technologia epoksydowa</td> na bazie srebra <td>H20E</td><td></td></tr><tr><td>Taśma Sctoch</td><td>Zawór 3M</td><td>801-1-18C</td><td></td></tr><tr><td>UHV</td><td>VAT</td><td>01034-KE01</td><td></td></tr><tr><td>przepust liniowy/obrotowy</td><td>Ferrovac</td><td>MD40</td><td></td></tr><tr><td>pręt transferowy</td><td>Konstrukcja UHV</td><td></td> Chybotliwy drążek serii <td></td>PP</tr><tr><td></td><td>Ferrovac</td><td>WM40</td><td></td></tr><tr><td>Paladin compact 355</td><td>Spójna</td><td></td><td></td></tr><tr><td>półfalowa płyta</td><td>Kogakugiken</td><td></td><td>na zamówienie</td></tr><tr><td>Bipolarny bank skraplacza</td><td>Tsuji electronics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

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

Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser

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.

Przed rozpoczęciem eksperymentów SARPES, pozycje k muszą zostać dokładnie określone w celu wykonania widma z rozdzielczością spinową, wykorzystując wyniki ARPES zintegrowane po spinie o wysokiej statystyce oraz wysokiej rozdzielczości energetycznej i kątowej (protokół 5.1-5.5). Zostało to przedstawione na Rycynie 7, gdzie zaprezentowano wyniki ARPES dla monokryształu Bi2Se3 . Materiał ten jest znany jako prototypowy izolator top...

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

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser ...

Spinningowa i kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna, tak zwana SARPES, jest potężną techniką badania struktur elektronów w stanie stałym, w tym informacji o ich spinie. W naszej metodzie połączyliśmy tę technikę z laserem 7-eV o zmiennej polaryzacji, który umożliwił nam bardzo precyzyjne określenie struktur spinowych elektronów. SARPES wykonywano zazwyczaj przy użyciu promieniowania synchrotronowego lub lampy wyładowczej gazów szlachetnych.W porównaniu z tą metodą, zastosowanie lasera 7-eV o zmiennej polaryzacji jest dużym ulepszeniem. Polaryzacja za pomocą wiązki laserowej może być łatwo kontrolowana za pomocą płytki falowej. Korzystając z tej właściwości, możemy całkowicie prześledzić zachowanie spinu elektronu, który jest wrażliwy na polaryzację światła.Reakcja spinowa fotoelektronów zależy od polaryzacji światła. A to pokazuje wiele fizycznych znaczeń, takich jak sprzężenie spin-orbita i interferencja spinowa. Z tego powodu nasza technika może być stopniowo wykorzystywana do badania fizyki materii skondensowanej.Na początek wytnij próbki monokryształów selenku bizmutu i użyj żywicy epoksydowej na bazie srebra, aby przykleić je do uchwytu na próbkę. Po utwardzeniu żywicy epoksydowej umieść kawałek taśmy klejącej na powierzchni próbek. Następnie przenieś magazyn próbek do zamka obciążenia ultrawysokiej próżni i uruchom pompę, aż ciśnienie blokady obciążenia spadnie poniżej 10 razy do minus 5 paskalów.Następnie należy otworzyć zawór ultrawysokiego podciśnienia między blokadą załadunku a komorą przygotowawczą i przesunąć magazyn próbek z zamka załadunku do komory przygotowawczej, za pomocą mechanizmu przepustowego przymocowanego do komory załadunku. Teraz użyj pręta transferowego, aby pobrać próbkę z magazynu próbek, a następnie umieść magazyn próbek z powrotem w zamku obciążenia i zamknij zawór ultrawysokiej próżni. Poczekaj, aż ciśnienie w komorze przygotowawczej spadnie poniżej pięć razy dziesięć do minus siedem paskalów, a następnie oderwij taśmę klejącą od powierzchni selenku bizmutu za pomocą chybotliwego patyczka w komorze przygotowawczej.Spowoduje to rozszczepienie próbki, tworząc atomowo czystą powierzchnię. Przenieść próbkę do komory pomiarowej UHV. Tam użyj śrubokręta, aby przymocować próbkę do głównego stopnia gonio.Następnie przesuń stolik do pozycji pomiarowej i użyj stolika mikrometrycznego, aby precyzyjnie ustawić próbkę w ognisku spektrometru. Następnie włącz laser ortowananadowy itru domieszkowany neodymem i pozwól mu się rozgrzać przez dziesięć do 15 minut. Otwórz migawkę wiązki laserowej i upewnij się, że laser przechodzi przez kryształ fluoroboranu potasowo-berylowego, aby wygenerować drugą falę harmoniczną o długości 177 nanometrów.Zoptymalizuj moc lasera siedmioelektronowoltowego, zmieniając moc lasera o długości 355 nanometrów za pomocą zmiennego tłumika. Najpierw otwórz oprogramowanie sterujące analizatorem. W menu sekwencji wybierz ustawienia, a następnie wybierz z listy konfigurację ARPES i mapowanie ARPES, aby wykonać mapowanie powierzchni Fermiego za pomocą deflektora fotoelektronów.Kliknij edytuj i skonfiguruj mapowanie powierzchni Fermiego tak, aby kąt emisji wynosił od 12 stopni do 12 stopni z rozmiarem kroku 0,5 stopnia i 49 dla liczby kroków. Po ustawieniu wróć do menu sekwencji i wybierz uruchom. Analizator półkulisty jest wyposażony w deflektor elektronów, który umożliwia nam mapowanie powierzchni Fermiego bez obracania próbki.Ręcznie zmień ustawienia urządzenia do pomiaru spektroskopii fotoemisyjnej spinowej i kątowo-rozdzielczej. Obejmuje to zmianę zarówno szczeliny wejściowej analizatora, jak i rozmiaru otworu. W oprogramowaniu wybierz setup i wybierz konfigurację wirowania i normalną z listy opcji i kliknij OK.Następnie wybierz DA30 na pasku menu i przejdź do sterowania theta. Spowoduje to otwarcie panelu ustawień konfiguracji kąta DA30. W panelu wybierz kąt emisji dla theta x na minus sześć stopni, a dla theta y na zero stopni.Następnie użyj wiersza polecenia, aby zastosować pole magnetyczne, sterując bipolarnym bankiem kondensatorów. Spowoduje to namagnesowanie celu przewodu w kształcie litery V w kierunku położenia wzdłuż osi x, y lub z. Po ustawieniu kliknij uruchom, aby pobrać spektrum intensywności.Następnie zastosuj pole magnetyczne, aby namagnesować cel z odprowadzeniem w kształcie litery V w ujemnym kierunku wzdłuż osi i uruchom skanowanie, aby uzyskać inne widmo intensywności. Po zakończeniu oblicz polaryzację spinu i widma o rozdzielczości spinu. Korzystając z wiersza polecenia, włącz silnik krokowy, aby precyzyjnie zmienić kąt półpłytki falowej w celu dostrojenia polaryzacji światła lasera o siedmiu elektronowoltach.Następnie weź widma o rozdzielczości spinu dla każdej z osi x, y i z. Skanuj widma o rozdzielczości spinowej w funkcji polaryzacji światła, zmieniając kąt połowy płytki falowej od zera stopni do 102 stopni z krokiem o trzy stopnie. Selenek bizmutu jest prototypowym izolatorem topologicznym ze stanami powierzchniowymi spolaryzowanymi spinowo.Otrzymana mapa powierzchni Fermiego stanu powierzchniowego selenku bizmutu, pokazuje kształt prawie zakreślony. Następnie wykonaj mapowanie pasma wzdłuż linii wysokiej symetrii. Pokazuje on dyspersję energii w kształcie litery X, tzw. stożek Diraca.Na podstawie tych wyników można teraz wybrać kąt emisji właściwej dla eksperymentu SARPES. Gdy weźmiemy theta x równe minus sześć stopni, a theta y równa się zero stopni w poprzek ujemnego kF pasma powierzchniowego, krzywe rozkładu energii dla różnych kierunków namagnesowania, osiągają szczyt intensywności w pobliżu energii Fermiego. Natężenia w tych dwóch widmach są różne w pobliżu szczytu.Na podstawie różnicy między ich intensywnościami można obliczyć polaryzację spinu w funkcji widm energii i spinowo-rozdzielczych. Wygląda na to, że widmo spinu w górę ma strukturę szczytową, ale widma spinu w dół są stosunkowo płaskie. Odzwierciedla to prawie 100% polaryzację spinową.Wykonując ten sam pomiar dla innej osi i przy różnej polaryzacji światła, kierunek spinu elektronów i jego zależność od polaryzacji są wyraźnie widoczne. W przypadku polaryzacji p dane wyraźnie pokazują dodatnią 100% polaryzację spinową tylko wzdłuż y i nie ma polaryzacji spinowej wzdłuż kierunków x i z. Co ciekawe, gdy przełączy się polaryzację światła z p na s, znak polaryzacji spinowej również przełącza się na ujemnie 100% dla polaryzacji s bez składowej spinu x i z.W wyniku pełnej informacji o spinie, rotacja spinu elektronu jest całkowicie rozwikłana w trójwymiarze. Wykazaliśmy moc SARPES, z laserem o zmiennej polaryzacji, do rozpoczynania stanu spolaryzowanego spinowo selenku bizmutu. To pozwala nam bezpośrednio wizualizować spin elektronu i jego zmiany w funkcji polaryzacji światła.Technika ta może być z łatwością zastosowana do wielu innych układów fizycznych. Nasz eksperyment pokazuje, że nawet niewielkie zmiany w polach świetlnych mogą zmodyfikować spin fotoelektronu w trzech wymiarach. Bardzo ważny jest sposób oświetlenia próbki.Trzeba zadbać o geometrię eksperymentalną, aby poprawnie zrozumieć dane.

experimental-methods-for-spin-angle-resolved-photoemission

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

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

Poczyniono postępy w wykorzystaniu rozpraszania częstości występowania echa spinowego (SERGIS) jako techniki rozpraszania neutronów do badania skal długości w próbkach o nieregularnym charakterze. Krystality estru metylowego kwasu [6,6]-fenylo-C61-masłowego przebadano techniką SERGIS, a wyniki potwierdzono mikroskopią sił optycznych i atomowych.

Wykorzystanie neutronowego echa spinowego do rozwiązania problemu rozpraszania padania w celu zbadania organicznych materiałów ogniw słonecznych

Przedstawiono protokół do wykrywania i automatyzacji blokowania trybu w wstępnie dostosowanym laserze światłowodowym o rotacji polaryzacji nieliniowej. Wykrycie nagłej zmiany stanu polaryzacji wyjścia w przypadku wystąpienia blokady trybu służy do nakazania wyrównania regulatora polaryzacji wewnątrz wnęki w celu znalezienia warunków blokowania trybu.

Automatyzacja blokowania trybów w laserze światłowodowym z rotacją polaryzacji nieliniowej poprzez pomiary polaryzacji wyjściowej

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

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Ten protokół opisuje oprzyrządowanie do określania szybkości wzbudzenia i sprzężenia między emiterami światła a polarytonami plazmonów powierzchniowych podobnych do Blocha, powstających z układów okresowych.

Wyznaczanie współczynników wzbudzenia i sprzężenia między emiterami światła a polarytonami plazmonów powierzchniowych

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

Opisujemy system optyczny do generowania bezwarunkowych fotonów splątanych polaryzacją na podstawie wielokrotnych efektów interferencji kwantowej za pomocą schematu detekcji w celu oszacowania eksperymentalnej wierności generowanych splątanych fotonów.

System fotoniczny do generowania bezwarunkowych fotonów splątanych polaryzacją w oparciu o wielokrotne interferencje kwantowe

Struktura pasma fotonicznego umożliwia zrozumienie, w jaki sposób ograniczone mody elektromagnetyczne rozchodzą się w krysztale fotonicznym. W kryształach fotonicznych, które zawierają elementy magnetyczne, takim ograniczonym i rezonansowym modom optycznym towarzyszy zwiększona i zmodyfikowana aktywność magnetooptyczna. Opisujemy procedurę pomiarową mającą na celu wyodrębnienie magnetooptycznej struktury pasmowej za pomocą mikroskopii przestrzeni Fouriera.

Spektralna i kątowo-optyczna charakterystyka nanostruktur fotonicznych

Przedstawiona tutaj jest metoda pomiaru dwójłomności okien próżniowych poprzez maksymalizację liczby fluorescencji emitowanych przez chłodzone dopplerowskie jony 25Mg+ w pułapce jonowej. Dwójłomność okien próżniowych zmieni stany polaryzacji lasera, które można skompensować poprzez zmianę kątów azymutalnych zewnętrznych płytek falowych.

Pomiar in situ dwójłomności okna próżniowego przy użyciu fluorescencji 25Mg+

Ten artykuł opisuje, jak można zastosować mikroskopię dwufotonową wrażliwą na polaryzację, aby scharakteryzować lokalną organizację w obrębie bezznacznikowych nadbudówek amyloidowych-sferulitów. Opisano w nim również, jak przygotować i zmierzyć próbkę, skompletować wymaganą konfigurację i przeanalizować dane w celu uzyskania informacji o lokalnej organizacji włókienek amyloidowych.

Czuła na polaryzację mikroskopia dwufotonowa do bezznacznikowej charakterystyki strukturalnej amyloidu

Poznaj spektroskopię fotoemisyjną SARPES ze zmienną polaryzacją lasera 7 eV do badania sprzężenia spin-orbitowego w ciałach stałych. Ta metoda umożliwia precyzyjne wyznaczenie struktur spinowych elektronów.

Eksperymentalne metody spektroskopii fotoemisyjnej ze spinową i kątową rozdzielczością w połączeniu z laserem o zmiennej polaryzacji (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów