Name: Ângulo resolvido espectroscopia de fotoelétrons em ultra-baixas temperaturas (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-10-09T12:55:00.000+00:00
Duration: 8 min 53 s
Description: Aprenda a determinar a estrutura eletrônica de sólidos em temperaturas ultra-baixas usando espectroscopia ARPES com radiação síncrotron. Esta técnica de alta resolução mapeia superfícies de Fermi em materiais complexos como Sr₂RuO₄.

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Agradecemos a ajuda de Rolf Follath, Hübel Roland, Möhler K., Inosov Dmytro, Fink Jörg, Koitzsch Andreas, Büchner Bernd, Varykhalov Andrei, Rienks Emile, Rader Oliver, Thirupathaiah Setti, Vyalikh Denis, Molodtsov Sergey, Laubschat Clemens, Ramona Weber, Hermann Dürr, Wolfgang Eberhardt, Christian Jung, Thomas Blume, Gerd Reichardt, David Batchelor, Kai Godehusen, Martin Knupfer, Stefan Leßny, Dirk Lindackers, Stefan Leger, Ralf Voigtländer, Ronny Schönfelder, que concebeu a &quot;1-cubo&quot; projeto concebidos, construídos e encomendado a linha de luz e de fim de estação, bem como um apoio organizacional e do usuário. O projeto &quot;1-cubos ARPES&quot; ​​foi financiado pelo BMBF concessão &quot;maior resolução ARPES&quot;, bem como diretamente pelo BESSYII e IFW-Dresden. Este trabalho em particular foi apoiado pelo programa prioritário DFG SPP1458, concede ZA 654/1-1, BO1912/3-1 e BO1912/2-2. CE e BPD ªANK da Faculdade de Ciências da Universidade de Joanesburgo para financiamento de viagens. AV, RF e MC reconhecer o apoio da UE ao abrigo -FP7/2007-2013 subvenção N. 264098 - MAMA.

1. Montagem da Amostra <ol><li> Este experimento utiliza radiação síncrotron produzida pelo anel de armazenamento BESSY de Helmholtz-Zentrum Berlim. Os fótons viajam uma linha de luz para a nossa estação final, onde uma amostra é montada. </li><li> Comece com um único cristal do material a ser investigado, aqui ruthenate estrôncio. Use à base de prata epóxi para colar a amostra para o suporte de amostras. O epóxi à base de prata garante o contato térmico e elétrico bom. </li><li> Cola de alumínio no topo do poste para a superfície do cristal único. O poste superior será utilizada para clivar a amostra em vácuo ultra-alto para expor uma superfície atomicamente limpo. </li><li> Montar o suporte da amostra no bloqueio de carga. </li></ol> 2. Alcançar ultra-vácuo e Isolamento Térmico <ol><li> Começam a evacuar o bloqueio de carga para minimizar a contaminação da câmara de vácuo ultra-elevado. </li><li> Controlar a pressão. Uma vez que uma pressão de cerca de 10 -8 mbar foialcançado, transferir o conjunto para a câmara de preparação e, posteriormente, para o dedo chamber.The principal frio e suporte de amostra foram especialmente projetados para garantir o melhor contato possível térmico com o pote de hélio. </li><li> Estas versões de demonstração mostra como isto é conseguido através de superfícies cónicas para aumentar a área de contacto. As superfícies cónicas são pressionadas uma contra a outra e o suporte da amostra e o dedo frio estão firmemente fixos no lugar utilizando uma porca e parafuso de titânio. </li></ol> 3. Posicionamento e Arrefecimento da Amostra <ol><li> O próximo passo é para orientar a amostra no interior do dedo frio ao longo do azimute usando o braço de transferência. Fixar a posição da amostra, o aperto da porca durante a aplicação de uma força contrária, com o braço de suporte ligado ao outro lado da câmara. </li><li> Cleave da amostra, movendo o manipulador para cima de modo que a parte superior é removida pós-por interacção com o braço de suporte. </li><li> Com o obturador fechado feixe, mover a amostra em posição na linha de luz utilizando o manipulador. Uma vez que a amostra está no lugar, certifique-se os cryoshields estão fechados adequadamente. </li><li> Começar a bombear a panela 1-K e circular o gás de hélio-3, a fim de arrefecer a amostra até à temperatura de base. A temperatura é medida próximo da amostra e não muda durante a experiência. </li><li> Abra o obturador de feixe da linha de luz. Use os parafusos micrométricos sobre o aparelho para ajustar a posição da amostra de modo a que ele está no foco da lente analisador. Este ajuste é crucial. </li></ol> 4. A coleta de dados <ol><li> Quando a instalação estiver pronta, mudar para o modo de ângulo resolvido do analisador de espectro e gravar no modo de varredura. Isto irá gerar dados para bidimensionais energia do ângulo de parcelas. </li><li> Construir um mapa da superfície de Fermi usando os dados. Seleccione ângulos polares que correspondem às passagens de nível de Fermi para estudo da superconducting lacuna de ruthenate estrôncio. </li><li> Os espectros de registo de alta resolução para os ângulos escolhidos polares acima e abaixo da temperatura de transição supercondutora de estrôncio ruthenate para investigar o comportamento do gap supercondutor. </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>

Não há conflitos de interesse declarados.

Como é mostrado acima, o método de aplicação é muito eficiente para estudar a estrutura de baixa energia electrónica de monocristais. Recentes melhorias instrumentais viraram ARPES de uma caracterização simples e banda mapeamento de ferramenta em espectroscopia de muitos-corpo sofisticado. Uma experiência moderna oferece informações sobre a estrutura eletrônica de um sólido ou um nano-objeto com um novo nível de precisão. O acesso à superfície de Fermi, no caso de um metal, as lacunas de energia de semicondutores e isol...

Hoje em dia ARPES é amplamente utilizada para determinar a estrutura electrónica de sólidos. Normalmente, diversas variações deste método são definidas pela fonte de radiação necessária para excitar os electrões. Usamos radiação síncrotron uma vez que oferece uma oportunidade única para ajustar a polarização e a energia dos fotões de excitação de uma vasta gama de energias, e é caracterizada pela alta intensidade, largura de banda reduzida (incerteza na energia hn) e pode ser focalizada para um feixe estreito de recolher fotoelectrões provenientes de um local de algumas dezenas de microns. Radiação síncrotron é gerada em anéis de armazenamento de electrões forçando electrões que circulam no anel com uma energia da ordem de 2 GeV ** para passar através de arranjos periódicas dos ímans fortes (undulators). O campo magnético desvia os elétrons e quando esses elétrons rápidos mudar sua direção eles emitem radiação. Exactamente esta radiação é então dirigido para a linha de luz assim chamada, onde é mais monocromáticapor uma rede de difracção e centrou-se na superfície da amostra por vários espelhos. Existem muitas dessas instalações em todo o mundo. Nossa estação final está localizado em uma das linhas de luz do anel de armazenamento BESSY que pertence à Helmholtz-Zentrum Berlin. O coração desta facilidade ARPES é o analisador de energia de electrões (Figura 1). Como estamos interessados ​​tanto em energia cinética e do ângulo em que os elétrons deixam a superfície, é muito conveniente para detectá-los em uma única medição. Um princípio muito simples torna essa abordagem uma realidade. Como numa experiência básica com uma lente óptica, que se concentra uma onda plana no ponto no plano focal posterior, assim, realizar a transformação de Fourier espacial, os projectos de lente óptica de electrões electrões que deixaram a superfície em ângulo particular, a um ponto no plano focal ( Figura 1). De tal forma que o acesso ao impulso, isto é recíproco, o espaço. O distance a partir da direcção para a frente, no plano focal corresponde ao ângulo e, portanto, para o impulso do fotoelectrão. Agora, os elétrons têm que ser analisados ​​em termos de energia. Para este efeito, a fenda de entrada do analisador hemisférico é colocada exactamente no plano focal da lente óptica de electrões. Voltagens nos dois hemisférios são escolhidos de tal modo que apenas electrões com energia cinética particular (passar energia) será guiada exactamente no meio dos dois hemisférios e terra sobre a linha central do detector bidimensional. Aqueles que são mais rápidos atingirá o detector mais próximo do hemisfério exterior, aqueles que são mais lento será desviado para o interior do hemisfério. De tal modo que pode obter a distribuição de intensidade de fotoemissão como uma função da energia cinética do ângulo e simultaneamente. A principal vantagem da nossa abordagem em relação aos métodos existentes é a utilização do He 3 cryomanipulator. Há pelo menos duas razões para levar a UOt as medições a temperaturas baixas. Quanto maior a temperatura do material, o mais esbatida os estados electrónicos tornaram em energia e quantidade de movimento. Para determinar a estrutura electrónica com elevada precisão esta temperatura alargamento tem de ser evitada. Além disso, muitas propriedades físicas dependem da temperatura, alguns fenômenos de ordenação estabelecidos em baixas temperaturas e do conhecimento da estrutura eletrônica no estado fundamental do sistema, ou seja, T = 0, é de fundamental importância. Uma das maneiras mais eficazes para resfriar a amostra até décimos de Kelvin é para liquefazer Ele 3 gás. Em muitas experiências que atingem temperaturas de sub-Kelvin não é um problema, uma vez que a radiação térmica, a principal inimigo do ultra-baixas temperaturas, pode ser protegido de modo eficaz. Infelizmente, isto não é o caso em experiências de fotoemissão. Precisamos oferecer acesso gratuito para a luz de entrada e saída de elétrons. Isto realiza-se por fendas especialmente concebidos em três raescudos mediação, com diferentes temperaturas. A fim de compensar a carga de calor provocada pelo feixe de fotões e de temperatura ambiente de radiação, o poder de refrigeração do criostato deve ser muito alta. Isto é conseguido pela velocidade muito grande de bombeamento das duas bombas, que reduzem a pressão de vapor acima do líquido Ele 3, arrefecendo o dedo frio e amostra. As especificações do projeto do nosso Ele 3 sistema torná-lo o mais poderoso no mundo. É talvez o único lugar do planeta onde se pode ver uma superfície fria 1 K através de uma janela temperatura ambiente, o &quot;mais frio visível&quot;. O esboço do experimento fotoemissão moderna é mostrado na Figura 1. O feixe de luz síncrotron (tracejada linha verde) ilumina a superfície fria 1 K da amostra e fotoelétrons excita. Os electrões são projectados para a fenda de entrada do analisador hemisférico, ordenadas em termos do ângulo (traços magenta, amarelo e ciano correspondem difereângulos de inclinação nt) e, em seguida, são analisados ​​em termos de energia cinética. Figura 2 mostra a distribuição de intensidade normal como uma função do ângulo de inclinação e a energia cinética. Tal distribuição de intensidade é de facto o esperado como a comparação com os cálculos de estrutura de banda deste material mostra (painel da direita). Esta é nossa janela para o espaço recíproco. Digitalizando tensões sobre a lente e os hemisférios e rodando a amostra em torno do eixo vertical (ângulo polar) pode-se explorar a gama ampla de ligação de energia, bem como as regiões de largura do espaço recíproco com detalhes sem precedentes. Em particular, traçando intensidade ao nível de Fermi em função de ambos os componentes da quantidade de movimento no plano, calculado a partir dos ângulos de inclinação e polar, temos acesso directo à superfície de Fermi (FS). * Em &quot;incerteza&quot; entendemos melhor estimativa do experimentador de quão longe uma quantidade experimental poderia ser a verdade &quot;valor. &quot; ** O anel de baixa energia, pode ter uma energia de ~ 0,8 GeV, a uma alta energia - até 8 GeV.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nome do reagente / Material </td><td> Companhia </td><td> Número de Catálogo </td><td> Comentários </td></tr><tr><td> Monocristais de ZrTe 3 e 2 Tise </td><td></td><td></td><td> cresceu pelo Dr. Helmut Berger, EPFL, de Lausanne </td></tr><tr><td> Monocristais de Sr 2 RuO 4 </td><td></td><td></td><td> cultivada pelo grupo do Dr. Antonio Vecchione </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> AMOSTRAS ZrTe 3, Tise 2, Sr 2 RuO 4 </td></tr></tbody></table>

Ângulo resolvido espectroscopia de fotoelétrons em ultra-baixas temperaturas

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

As propriedades físicas de um material são definidos pela sua estrutura electrónica. Electrões em sólidos são caracterizados por energia (ω) e momento (k) e a probabilidade de encontrar em um estado particular com ω dado e k é descrito pela função espectral A. (K, ω) Esta função pode ser medido diretamente em uma experiência baseada no efeito fotoelétrico bem conhecida, para a explicação de que Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel em 1921. No efeito fotoeléctrico a luz brilhou sobre uma superfície ejecta electrões do material. De acordo com Einstein, a conservação da energia permite determinar a energia de um electrão no interior da amostra, na condição de a energia do fotão de luz e energia cinética do fotoelectrão de saída são conhecidos. Conservação do momento torna também possível estimar k relacionando-a com o momentum do fotoelectrão por medição do ângulo em que o fotoelectrão deixaram a superfície. A versão moderna da técnica é chamada de espectroscopia de fotoelétrons ângulo resolvido (ARPES) e explora tanto as leis de conservação, a fim de determinar a estrutura eletrônica, ou seja, energia e momento dos elétrons dentro do sólido. A fim de resolver os detalhes cruciais para a compreensão dos problemas específicos da física da matéria condensada, três quantidades precisam ser minimizados: * incerteza na energia do fóton, a incerteza em energia cinética de fotoelétrons e temperatura da amostra. Em nossa abordagem, combinar três conquistas recentes no campo da radiação síncrotron superfície ciência e criogenia. Usamos radiação síncrotron com energia de fotões sintonizável contribuindo com uma incerteza da ordem de 1 MeV, um analisador de energia de electrões, que detecta as energias cinéticas com uma precisão da ordem de 1 MeV e um criostato Ele 3 which permite-nos manter a temperatura da amostra de menos de 1 K. Discutem-se os resultados obtidos em exemplares únicos cristais de Sr 2 RuO 4, e alguns outros materiais. A estrutura eletrônica deste material pode ser determinada com uma clareza sem precedentes.

As temperaturas ultra-baixas de nossa configuração, juntamente com a alta resolução da linha de luz e analisador permitem gravar espectros com muito alta resolução em geral. Isto é ilustrado na Figura 3. O teste usual da resolução de energia é a de medir a largura do bordo de Fermi de um metal. Neste caso, é uma película de fresco evaporado índio. A largura total a meia máxima (FWHM) do Gauss, que, quando enroladas, com o passo de função precisamente descreve a borda, é da ordem de 2 MeV. De maior impor...

O objetivo geral deste método é determinar a estrutura de baixo de energia eletrônica de sólidos em ultra-baixas temperaturas usando ângulo resolvido espectroscopia de fotoelétrons com radiação síncrotron.

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

O objetivo geral do experimento a seguir é determinar a estrutura eletrônica de baixa energia de sólidos em temperaturas ultrabaixas usando espectroscopia de emissão de foto com resolução de ângulo ou arrp pez com radiação síncrotron. Nas instalações de radiação síncrotron, câmara de ultra-alto vácuo acoplada à linha de feixe, um único cristal do material estudado é clivado, expondo uma superfície atomicamente limpa como um segundo passo. A amostra é resfriada abaixo de um Kelvin, o que garante um alargamento mínimo da temperatura e proximidade do estado fundamental do material.Em seguida, a intensidade da emissão fotográfica é registrada em função da inclinação, ângulo e energia e geometria estática. Ao girar a amostra, as informações podem ser coletadas de uma grande porção do espaço de energia de momento necessário para obter o mapa de superfície de firmeza e dispersões próximas ao nível da empresa Os resultados são obtidos que mostram que a estrutura eletrônica de baixa energia de materiais complexos pode ser determinada com clareza e resolução sem precedentes. Usando o manipulador criogênico de hélio três e o resultado do ângulo de arranque baseado em síncrotron para a espectr

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