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

A espectroscopia de fotoemissão de spin e resolução angular, a chamada SARPES, é uma técnica poderosa para investigar estruturas eletrônicas de estado sólido, incluindo suas informações de spin. Em nosso método, combinamos essa técnica com o laser de 7-eV variável de polarização, que nos permitiu determinar as estruturas de spin dos elétrons, com muita precisão. O SARPES foi geralmente realizado com radiação síncrotron ou lâmpada de descarga de gás nobre.

Comparado a este método, o uso de um laser de 7-eV com variável de polarização é uma grande melhoria. A polarização com o feixe de laser pode ser facilmente controlada usando a placa de onda. Usando essa propriedade, podemos rastrear completamente o comportamento do spin do elétron, que é sensível à polarização da luz.

A reação de spin do fotoelétron depende da polarização da luz. E isso mostra muitos significados físicos, como acoplamento spin-órbita e interferência spin. Por esse motivo, nossa técnica pode ser usada gradualmente para estudar a física da matéria condensada.

Para começar, corte amostras de cristal único de seleneto de bismuto e use um epóxi à base de prata para colá-las em um suporte de amostra. Depois que o epóxi estiver curado, coloque um pedaço de fita adesiva na superfície das amostras. Em seguida, transfira o magazine de amostras para a trava de carga de vácuo ultra-alto e ligue a bomba até que a pressão da trava de carga seja inferior a um vezes dez elevado a cinco pascal negativos.

Em seguida, abra a válvula de vácuo ultra-alto entre a trava de carga e a câmara de preparação e mova o magazine de amostras da trava de carga para a câmara de preparação, usando o mecanismo de passagem conectado à câmara de trava de carga. Agora, use uma haste de transferência para pegar a amostra do magazine de samples e, em seguida, coloque o magazine de samples de volta na trava de carga e feche a válvula de vácuo ultra-alto. Esperar até que a pressão da câmara de preparação seja inferior a cinco vezes dez elevado a menos sete pascal e, em seguida, retirar a fita adesiva da superfície do seleneto de bismuto com o bastão oscilante na câmara de preparação.

Isso clivará a amostra, produzindo uma superfície atomicamente limpa. Transfira a amostra para a câmara de medição UHV. Lá, use uma chave de fenda para fixar a amostra no estágio gonio principal.

Em seguida, mova o estágio para a posição de medição e use um estágio micrométrico para posicionar com precisão a amostra no foco do espectrômetro. Em seguida, ligue o laser ortovanadato de ítrio dopado com neodímio e deixe-o aquecer por dez a 15 minutos. Abra o obturador do feixe de laser e certifique-se de que o laser passe por um cristal de fluoroborato de potássio e berílio para gerar uma segunda onda harmônica de 177 nanômetros.

Otimize a potência do laser de sete elétrons volts, alterando a potência do laser de 355 nanômetros usando um atenuador variável. Primeiro, abra o software de controle do analisador. No menu de sequência, selecione configuração e, em seguida, escolha Configuração ARPES e Mapeamento ARPES, na lista, para executar o mapeamento de superfície de Fermi com o defletor de fotoelétrons.

Clique em editar e configure o mapeamento da superfície do Fermi para que o ângulo de emissão varie de 12 graus a 12 graus com o tamanho do passo de 0,5 graus e 49 para o número de passos. Uma vez definido, volte ao menu de sequência e selecione executar. O analisador hemisférico possui um defletor de elétrons que nos permite mapear a superfície de Fermi sem girar a amostra.

Altere manualmente a configuração da máquina para medição de espectroscopia de fotoemissão com resolução de rotação e ângulo. Isso inclui alterar a fenda de entrada do analisador e o tamanho da abertura. No software, selecione setup e escolha spin configuration e normal na lista de opções e clique em OK.

Em seguida, selecione DA30 na barra de menus e navegue para controlar theta. Isso abrirá o painel de configuração para a configuração do ângulo DA30. No painel, escolha o ângulo de emissão para que x seja menos seis graus e para que y seja zero graus.

Em seguida, use um prompt de comando para aplicar o campo magnético controlando o banco de condensadores bipolar. Isso magnetizará o alvo do condutor v na direção da posição ao longo do eixo x, y ou z. Uma vez definido, clique em executar, para obter o espectro de intensidade.

Em seguida, aplique um campo magnético para magnetizar o alvo do condutor v na direção negativa ao longo do eixo e execute a varredura para obter outro espectro de intensidade. Quando terminar, calcule a polarização de spin e os espectros resolvidos de spin. Usando o prompt de comando, ligue o motor de passo para alterar com precisão o ângulo da meia placa de onda para ajustar a polarização da luz do laser de sete elétrons volts.

Em seguida, pegue os espectros resolvidos por spin para cada um dos eixos x, y e z. Varra os espectros resolvidos por spin em função da polarização da luz, enquanto varia o ângulo da meia placa de onda de zero a 102 graus com o tamanho do passo de três graus. O seleneto de bismuto é um isolante topológico prototípico com estados de superfície polarizados por spin.

O mapa de superfície de Fermi obtido do estado da superfície no seleneto de bismuto mostra uma forma quase circulada. Em seguida, execute o mapeamento de banda ao longo da linha de alta simetria. Ele mostra a dispersão de energia em forma de X, o chamado cone de Dirac.

A partir desses resultados, pode-se agora escolher o ângulo de emissão específico para o experimento SARPES. Ao tomar um x é igual a menos seis graus e y é igual a zero graus em kF negativo da banda de superfície, as curvas de distribuição de energia para diferentes direções de magnetização, atingem o pico de intensidade perto da energia de Fermi. As intensidades nos dois espectros são diferentes perto do pico.

A partir da diferença entre suas intensidades, pode-se calcular a polarização de spin em função da energia e dos espectros resolvidos de spin. Aparentemente, o espectro de spin para cima tem uma estrutura de pico, mas o espectro de spin para baixo é relativamente plano. Isso reflete a polarização de quase 100% de spin.

Ao fazer a mesma medição para um eixo diferente e com polarização de luz diferente, a direção do spin dos elétrons e sua dependência de polarização são claramente visíveis. Para a polarização p, os dados mostram claramente a polarização de spin de 100% positiva apenas ao longo de y e não há polarização de spin ao longo das direções x e z. Curiosamente, quando se muda a polarização da luz de p para s, o sinal de polarização de spin também muda para 100% negativos para polarização s sem componente de spin x e z.

Como consequência da informação de spin total, a rotação de spin do elétron é completamente desvendada em três dimensões. Demonstramos o poder do SARPES, com o laser variável de polarização, para iniciar o estado polarizado por spin do seleneto de bismuto. Isso nos permite visualizar diretamente o spin do elétron e suas variações, em função das polarizações da luz.

Essa técnica pode ser facilmente aplicada a muitos outros sistemas físicos. Nosso experimento mostra que, mesmo pequenas mudanças nos campos de luz realmente podem remodificar o spin do fotoelétron em três dimensões. Como a amostra é iluminada é muito importante.

É preciso cuidar da geometria experimental para entender corretamente os dados.