Artigo de método

Métodos experimentais para a rotação e ângulo-resolvido por espectroscopia de Fotoemissão combinada com Laser de polarização-variável

DOI:

10.3791/57090

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28 de junho de 2018

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1Institute for Solid State Physics, University of Tokyo

Neste artigo

Resumo

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

Aqui, nós combinamos polarização variável 7-eV do laser com rotação e ângulo-resolvido por técnica de Fotoemissão para visualizar o efeito do acoplamento spin-orbital em Estados sólidos.

Resumo

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O objetivo do presente protocolo é apresentar como realizar rotação e ângulo-resolvido por espectroscopia de Fotoemissão combinada com polarização variável 7-eV laser (laser-SARPES), e demonstrar um poder dessa técnica para estudar a física do estado sólido. Laser-SARPES atinge dois grandes capacidades. Em primeiro lugar, examinando a regra de seleção orbital de lasers polarizadas linearmente, excitação seletiva orbital pode ser realizada no experimento SAPRES. Em segundo lugar, a técnica pode mostrar informações completas de uma variação do eixo de rotação quântica em função da polarização da luz. Para demonstrar o poder da colaboração destas capacidades em laser-SARPES, podemos aplicar esta técnica para as investigações de Estados de superfície órbita juntamente de Bi2Se3. Esta técnica permite decompor componentes de rotação e orbital de comprimentos a órbita acoplado. Além disso, como uma representante vantagem de usar a deteção de rotação direta colaborou com o laser de polarização variável, a técnica inequivocamente visualiza a dependência de polarização de luz do eixo de rotação quântica em três dimensões. Laser-SARPES aumenta drasticamente a capacidade da técnica de Fotoemissão.

Introdução

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Técnica de espectroscopia (ARPES) Fotoemissão ângulo-resolvido se tornou uma da mais poderosa ferramenta para investigar as estruturas de banda Quasipartícula em Estados sólidos1. A maioria de característica marcante da ARPES é a capacidade para mapeamento de banda caracterizar Estados eletrônicos no espaço energia e momentum. Resolvido por rotação ARPES (SARPES), que aqui é equipado com detectores de rotação, por exemplo. Mott detector2,3, ainda mais nos permite resolver o personagem de rotação da banda observadas estruturas4. Desde que o detector de Mott pode medir o spin com dois eixos (x e z, ou y e z), a combinação dos dois detectores Mott ainda permite obter a orientação de rotação em três dimensões4,5 . Há várias décadas, no entanto, as experiências SARPES foram sofria de sua baixa eficiência (tipicamente 1/10000 comparado para medição de ARPES rotação integrada)3,4,5,6 ,7, que limitou a energia e a resolução angular. Recentemente, a resolução de energia de SARPES foi aumentada com um detector de rotação de alta eficiência com base na dispersão de troca, o so-called muito-baixa energia elétron-difração (VLEED) detector7,8,9 ,10. Com este detector, foi significativamente melhorada a qualidade de dados e o tempo de aquisição de dados foi reduzido. Recentemente, a SARPES conseguiu grandemente para resolver Estados eletrônicos spin-polarizada e particularmente órbita acoplamento efeito resulta na textura da superfície bandas7rotação.

Aqui, nós empregamos SARPES medições com uma ultravioleta de vácuo de polarização variável (laser-SARPES) a luz do laser e demonstrar as grandes vantagens desta técnica combinada. Através da investigação sobre os Estados de superfície órbita acoplado em Bi2Se3, apresentamos dois recursos do laser-SARPES. Em primeiro lugar, devido a regra de seleção orbital de lasers polarizadas linearmente em regime de transição do dipolo, p- e s-luzes polarizadas excitam seletivamente uma parte de eigen-comprimentos com simetria orbital diferente. Tal uma excitação seletiva orbital é, assim, disponível em SARPES, ou seja, SARPES orbital-seletivo. Em segundo lugar, tridimensional (3D) rotação-deteção em SARPES mostra a direção do eixo de rotação quântica e diretamente exibe informações completas da dependência luz-polarização. Neste protocolo, descrevemos brevemente uma metodologia para realizar esta técnica de estado-da-arte do laser-SARPES para estudar os efeitos de acoplamento spin-órbita forte.

Nosso sistema de laser-SARPES situa-se o Instituto de física do estado sólido, a Universidade de Tóquio,11. O desenho esquemático de nossa máquina de laser-SAPRES é mostrado na Figura 1. A luz do laser de 7-eV de polarização variável12 ilumina a superfície da amostra e os photoelectrons são emitidos a partir da amostra. A polarização do laser é controlada automaticamente por MgF2- baseado de λ/2 - e λ/4-waveplates usar seletivamente polarizações lineares e circulares. Um analisador de elétrons hemisférica corrige os photoelectrons e analisa a sua energia cinética (Eparentes) e o ângulo de emissão (θx e θy). As intensidades de fotoelétron são mapeadas no Eparentes-θx tela monitorizada por uma câmera CCD. Esta imagem é diretamente transformada na estrutura de banda de energia no espaço recíproco.

Para medição de SARPES, os photoelectrons com um ângulo de emissão específicos e analisados pelo analisador do elétron de energia cinética são guiados para dois detectores de rotação VLEED-tipo com um defletor de fotoelétron de 90 graus e os feixes de fotoelétron concentram-se em dois diferentes alvos de Fe(001) -p(1 × 1) filmes denunciados por oxigênio. Os photoelectrons refletidas pelos alvos são detectados na deteção de canal único usando um channeltron colocado em cada detector de rotação. As metas VLEED podem ser magnetizadas com bobinas de Helmholtz-tipo elétricas que estão dispostas com geometria ortogonal em relação uns aos outros. A direção de magnetização é controlada pelo banco condensador bipolar. Os detectores de duplas rotação VLEED, assim, nos permitem analisar o vetor de rotação-polarização do fotoelétron em três dimensões.

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Protocolo

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1. montagem e instalação da amostra

  1. Cortar as amostras do único-cristal de Bi2Se313 em um tamanho aproximado de 1 × 1 × 0.5 mm3 e uso Fractius com base em epóxi para colar a amostra para o titular da amostra.
  2. Cole a fita adesiva sobre a superfície da amostra.
    Nota: A fita adesiva é usada para decompor a amostra na câmara de (UHV) vácuo ultra alta para obter uma superfície limpa atomicamente.
  3. Instalar a amostra para a amostra revista na caixa de carga e ligue a bomba até que a pressão de fechamento da carga é inferior a 1 × 10-5 PA.

2. amostra clivagem

  1. Abra a válvula UHV entre o bloqueio de carga e a câmara de preparação de UHV.
  2. Mova a revista amostra da rocha carga para a câmara de preparação usando a passagem direta linear/rotativo que está ligada à câmara de bloqueio de carga.
  3. Pega a amostra da amostra revista pela haste de transferência anexada à câmara de preparação.
  4. Volte a colocar a amostra de revista para o bloqueio de carga e feche a válvula UHV.
  5. Espere até que a pressão da câmara de preparação é inferior a 5 × 10-7 PA.
  6. Descasque a fita adesiva usando vara de oscilação na câmara de preparação e cleave a amostra sob a condição UHV.

3. amostra transferência para a posição de medição

  1. Transferir a amostra para a câmara de medição UHV e corrigir a amostra para o gonio-palco principal pela chave de fenda equipado com câmara de medição.
  2. Mova o gonio-palco para a posição de medição e usar o palco do micrômetro para mover precisamente a posição de amostra para o foco do espectrómetro.

4. 7eV-laser Setup

  1. Ligue o laser YVO4.
    Nota: O laser gera 355 nm laser luz com uma taxa de repetência alta de 120 MHz.
  2. Abra o obturador do feixe de laser e certifique-se que o laser passa através do cristal KBBF e uma onda de segunda harmônica de 177 nm (6,994 eV) é gerado.
  3. Otimize a potência do laser-7eV alterando o poder do laser com o atenuador variável 355 nm.

5. ARPES aquisição de dados

  1. Abra o software de controle do analisador no computador desktop.
    Nota: Nós usamos o "software SES", que é um programa geral para o analisador de ScientaOmicron controlando com um defletor de elétron.
  2. Selecione Setup... abaixo sequência no menu bar (Figura 2, etapa i. 2-1).
  3. Escolha configuração ARPES (Figura 3, etapa i. 3-1) e Mapeamento de ARPES na lista (Figura 3, etapa i. 3-2) para realizar o mapeamento de superfície de Fermi com o defletor de fotoelétron.
  4. Clique em Editar (Figura 3, etapa i. 3-3) e configurar o mapeamento de superfície de Fermi variando de-12 ° a 12 ° de ângulo de emissão θy com tamanho de passo de 0,5 ° (Figura 3, etapa i. 3-4).
    Nota: O analisador hemisférica com um defletor de elétrons nos permite mapear a superfície de Fermi sem as rotações de amostra.
  5. Clique em executar (Figura 2, etapa i. 2-3).

6. SARPES aquisição de dados

  1. Altere manualmente a configuração de máquina para medição de SARPES incluindo a fenda de entrada do analisador e o tamanho de abertura (Figura 1).
  2. Selecione Setup... abaixo sequência no menu bar (Figura 2, etapa i. 2-2).
  3. Escolha girar configuração (Figura 4, etapa i. 4-1) e Normal na lista (Figura 4, etapa i. 4-2) e clique em Okey (Figura 4, etapa i. 4-3).
  4. Selecione DA30 (Figura 5, etapa i. 5-1) na barra de menu e Controle Theta... (Figura 5, etapa i. 5-2) para abrir o painel de configuração para a configuração de ângulo (θx, θy) DA30.
  5. Escolher o ângulo de emissão (θx, θy) = (-6 °, 0 °) para levar os espectros SARPES (Figura 5, etapa i. 5-3).
  6. Aplicar o campo magnético, controlando o banco de condensador bipolar para magnetizar o alvo VLEED no sentido positivo ao longo do eixo específico (α: x, you z).
    Nota: Em nosso sistema, este processo pode ser feito através do prompt de comando [Figura 6 (a)].
  7. Clique em executar para levar o espectro de intensidade (Figura 2, etapa i. 2-3).
  8. Aplicar-se o campo magnético para magnetizar o alvo VLEED no sentido negativo junto α e começar a varredura para levar o espectro de intensidade.
  9. Calcule a rotação-polarização e espectros de rotação-resolvido.

7. verificação da dependência de polarização de luz

  1. Mude o ângulo de λ/2-waveplate, precisamente controlado pelo motor de passo a passo para ajustar a polarização de luz do laser eV-7.
    Nota: Em nosso sistema, este processo pode ser feito através do prompt de comando [Figura 6 (b)].
  2. Leve os espectros de rotação-resolvido para os eixos x, y e z .
  3. Digitalizar os espectros resolvido por rotação em função da polarização luz com variação do ângulo de waveplate meio de 0° a 102° com tamanho de passo de 3°.

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Resultados

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Antes de iniciar as experiências SARPES, k posições precisam ser determinado com precisão para a tomada de espectro de rotação-resolvido usando resultados ARPES estatística alta rotação integrada com alta energia e angular-resolução (protocolo 5.1-5.5). Isso é demonstrado na Figura 7 , onde são apresentados os resultados ARPES para um Bi2cristal único de Se3 . Este material é conhecido como um isolador topológico prototípico com...

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Discussão

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Técnicas de ARPES e SARPES têm sido comumente utilizadas para estudar estruturas banda eletrônica através do mapeamento de banda e rotação-deteção1,2. Além dessas vantagens gerais mostradas acima, com base na regra de seleção orbital na excitação de dipolo óptica laser-SARPES podem ser empregadas como uma técnica nova para poder visualizar o efeito do acoplamento spin-orbital na interferência de rotação a função de onda e quântica . Conforme demonstrado na

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Divulgações

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Os autores declaram que eles têm não tem interesses financeiro concorrente.

Agradecimentos

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Agradecemos a Nakayama M., S. Toyohisa, r. Fukushima e Y. Ishida para oferece suporte para a instalação experimental. Reconhecemos, com gratidão, financiamento de JSPS Grantin-auxílio para pesquisa científica (B) através do projeto n. º 26287061 e para jovens cientistas (B) através do projeto n. º 15K 17675. Este trabalho também foi apoiado pelo MEXT do Japão (área inovadora "topológico ciência dos materiais," conceder n ° 16 H 00979) e JSPS KAKENHI (Grant no. 16 H 02209)

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Analisador hemisférico DA30-LScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
Tecnologia epóxi à base de prataH20E
Fita SctochVálvula UHV 3M801-1-18C
IVA01034-KE01
passagem linear/rotativaFerrovacMD40
haste de transferênciaUHV designPP série
oscilação varaFerrovacWM40
Paladino compacto 355Coerente
meia placa de ondaKogakugikenordem feita
de condensador bipolarTsuji eletrônica
Banco

Referências

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