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

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.