Методическая статья

Экспериментальные методы для спина и угол решены фотоэлектронная спектроскопия, в сочетании с переменной поляризации лазерного

DOI:

10.3791/57090

⸱

28 июня 2018 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute for Solid State Physics, University of Tokyo

В этой статье

Краткое содержание

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

Здесь мы сочетаем поляризации переменная 7-eV лазер с решен спин и угол фотоэмиссионный технику для визуализации эффекта спин орбитальное сцепления в твердых.

Аннотация

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

Цель настоящего Протокола заключается в настоящее время как для выполнения спин и угол решены фотоэлектронная спектроскопия, в сочетании с переменной поляризации 7-eV лазер (лазер SARPES) и продемонстрировать мощь этой техники для изучения физики твёрдого тела. Лазер-SARPES достигает две большие возможности. Во-первых путем изучения правило орбитальных выбора линейно поляризованных лазеров, орбитального селективного возбуждения может осуществляться в SAPRES эксперимент. Во-вторых техника может показать полную информацию вариации квантовой оси вращения в зависимости от поляризации света. Чтобы продемонстрировать силу сотрудничества этих возможностей в лазер SARPES, мы используем этот метод для исследования поверхности государств спин орбитальное сочетании Би2Se3. Эта техника позволяет разложить спин и орбитальных компонентов из спин орбитальное сочетании волновые. Кроме того как представитель преимущество использования обнаружения прямого отжима сотрудничал с переменной поляризации лазерного, техника однозначно визуализирует света поляризацией зависимость квантовой оси вращения в три измерения. Лазер-SARPES значительно увеличивает возможности фотоэмиссионный техники.

Введение

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

Угол решена фотоэлектронная спектроскопия (ARPES) техника превратился в один из самых мощных инструментов для изучения структуры группы квазичастица в твердых1. Наиболее привлекательной особенностью ARPES является возможность для сопоставления группы характеризуют электронных состояний в энергии и импульса пространстве. Спин решена ARPES (SARPES), который оснащен здесь спин детекторы, например. Мотт детектор2,3, далее позволяет нам решить спин характер структуры наблюдаемых группы4. Так как Мотт детектор можно измерить спин с двумя осями (x и z, или y и z), сочетание двух Мотт детекторы далее позволяет получить спин ориентации в три измерения4,5 . На протяжении нескольких десятилетий, однако, SARPES экспериментов были страдали от их низкой эффективности (обычно 1/10000 по сравнению с показателем для измерения спин интегрированных ARPES)3,4,5,6 ,7, который ограничил, энергии и угловой резолюций. Недавно энергетическое разрешение SARPES было увеличено с высокоэффективными спин детектор на основе обмена рассеяния, так называемые очень низкой энергии дифракция электронов (VLEED) детектор7,8,9 ,10. С этот детектор значительно улучшилось качество данных и сократить время сбора данных. Недавно SARPES удалось значительно спин поляризованных электронного государства и особенно спин орбитальное муфта эффект в спин текстуры поверхности полосы7.

Здесь, мы используем SARPES измерений с переменной поляризации вакуума ультрафиолетовые лазерные свет (лазер SARPES) и продемонстрировать большие преимущества этой комбинированной техники. Через исследование о спин орбитальное сочетании поверхности государств в Bi2Se3мы представляем две возможности лазер SARPES. Во-первых, из-за правило орбитальных выбора линейно поляризованных лазеров в диполя переходного режима, p- и s-поляризованного света выборочно возбуждают частью Эйген волновые с различных орбитальных симметрии. Такие орбитального селективного возбуждения таким образом доступен в SARPES, а именно, орбитального селективного SARPES. Во-вторых трехмерные (3D) спин обнаружение в SARPES показывает направление оси квантовая спин и непосредственно отображает полную информацию о зависимости свет поляризации. В этом протоколе мы кратко опишем методологии выполнять эту технику-искусство лазер SARPES для изучения последствий сильного спин орбитальное сцепного устройства.

Наша система лазер SARPES расположен в Институте физики твердого тела, в университете Токио11. Схематический чертеж нашей машины лазерной SAPRES показан на рисунке 1. Поляризация переменная 7-eV лазерный свет12 освещает поверхности образца и фотоэлектронов выбрасываются из образца. Поляризации лазерного автоматически контролируется MgF2- основе λ/2 - и λ/4-волновые пластинки выборочно использовать линейной и круговой поляризации. Полусферическая электрона анализатор исправляет фотоэлектронов и анализирует их кинетическую энергию (EКин) и угол (θx и yθ). Фотоэлектронная интенсивности сопоставляются на EКин-θx экран контролируется ПЗС-камеры. Это изображение непосредственно преобразована в зонной структуры энергетики в взаимные пространстве.

Для измерения SARPES фотоэлектронов с конкретным угол и кинетической энергии, анализируются анализатором электрон руководствуются два спина детекторы VLEED-типа с 90-градусный фотоэлектронная дефлектор и фотоэлектронный лучи фокусируются на два различные цели пленок Fe(001) -p(1 × 1) расторгнут кислорода. Фотоэлектронов, отражение целей обнаруживаются в один канал обнаружения с помощью channeltron, помещены в каждом спина детектор. VLEED цели могут быть намагничены с Гельмгольц тип электрических катушек, которые аранжированы с ортогональными геометрии друг относительно друга. Направление замагничивания контролируется банком биполярного конденсатора. Двойной VLEED спина детекторы таким образом позволяют нам анализировать спин поляризация вектора фотоэлектронная в трех измерениях.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. образец крепления и монтажа

  1. Вырезать образцы одиночн кристалл Би2Se313 в приблизительный размер 1 × 1 × 0,5 мм3 и использования на основе ленты эпоксидный клей для держателя образца образца.
  2. Наклеить Скотч на поверхности образца.
    Примечание: Скотч используется для расщеплять образца в сверхвысоких вакуумной камере (СВВ) для получения атомарным образом чистой поверхности.
  3. Установить образец в образец журнала в замке нагрузки и запустить насос до тех пор, пока давление Блокировка нагрузки меньше, чем 1 × 10-5 ПА.

2. образец раскалывание

  1. Откройте клапан свв между Блокировка нагрузки и подготовка камеры свв.
  2. Переместите образец журнала от нагрузки рок Подготовка камеры с помощью линейных/Поворотные проходные, которая прилагается к камере блокировки загрузки.
  3. Забрать образец из образца журнала передачи стержнем, прилагается к камере подготовки.
  4. Положить обратно образец журнала в замке нагрузки и закрыть клапан свв.
  5. Подождите, пока давление Подготовка камеры ниже 5 × 10-7 ПА.
  6. Пил Скотч с помощью раскачиваться палку в зале подготовки и прилепится образца при условии свв.

3. пример передачи измерения позиции

  1. Передать образец свв измерительной камеры и исправить образца на главной сцене Гонио, отвертки, оборудованные измерительной камеры.
  2. Переместить Гонио стадии измерения позицию и использовать микрометр стадии, чтобы точно сместить образца на фокус спектрометра.

4. 7eV-лазерная установка

  1. Включите Лазер Nd:YVO4.
    Примечание: Лазер генерирует 355 Нм лазерного света с большим количеством второгодников 120 МГц.
  2. Откройте затвор лазерный луч и убедитесь, что лазер проходит через кристалл KBBF и второй гармонические волны 177 Нм (6.994 eV) генерируется.
  3. Оптимизируйте мощность 7eV-лазера, изменив мощности 355 Нм лазер с переменный аттенюатор.

5. ARPES сбора данных

  1. Откройте анализатор программного обеспечения управления на настольном компьютере.
    Примечание: Мы используем «SES программного обеспечения», которая является общая программа для контроля ScientaOmicron анализатор с дефлектором электрона.
  2. Выберите настройки... ниже последовательность в меню панели (рис. 2, шаг i.2-1).
  3. Выберите ARPES конфигурации (рис. 3, шаг i.3-1) и ARPES сопоставления в списке (рис. 3, шаг i.3-2) для выполнения поверхности Ферми сопоставления с фотоэлектронная дефлектор.
  4. Нажмите кнопку редактирования (рис. 3, шаг i.3-3) и настройте сопоставление поверхности Ферми, начиная от-12 ° до 12 ° угол θy с шагом размером 0,5 ° (рис. 3, шаг i.3-4).
    Примечание: Анализатор полусферические с дефлектором электрона позволяет нам карту поверхности Ферми без вращения образца.
  5. Нажмите кнопку запуска (Рисунок 2, шаг i.2-3).

6. SARPES сбора данных

  1. Вручную измените настройки машины для SARPES измерения, включая анализатор входной щели и размер апертуры (рис. 1).
  2. Выберите настройки... ниже последовательность в меню панели (рис. 2, шаг i.2-2).
  3. Спиновые конфигурации (рис. 4, шаг i.4-1) и нормальный в списке (рис. 4, шаг i.4-2) и нажмите кнопку OK (Рисунок 4, шаг i.4-3).
  4. Выберите DA30 (рис. 5, шаг i.5-1) на панель меню и Управления тета... (Рис. 5, шаг i.5-2) чтобы открыть панель настройки для конфигурации DA30 угол (xθ, θy).
  5. Выберите угол (θx, θy) = (-6 °, 0 °) принять SARPES спектры (рис. 5, шаг i.5-3).
  6. Применить магнитного поля, контролируя биполярного конденсатора банк намагнитить VLEED цели в позитивном направлении вдоль оси конкретного (α: x, yили z).
    Примечание: В нашей системе, этот процесс может быть сделано посредством командной строки[Рисунок 6 ()].
  7. Нажмите запустить принять интенсивность спектра (рис. 2, шаг i.2-3).
  8. Примените магнитного поля намагнитить VLEED цели в отрицательном направлении вдоль α и начать сканирование принять интенсивность спектра.
  9. Вычислите спин поляризации и спектры спин решена.

7. Проверка света поляризацией зависимость

  1. Изменение угла λ/2-фазовые точно контролируется шагового двигателя для настройки света поляризации 7 eV лазер.
    Примечание: В нашей системе, этот процесс может быть сделано посредством командной строки [Рисунок 6 (b)].
  2. Возьмите спина решена спектры для осей x, y и z .
  3. Сканировать спектры спин решен как функция поляризации света с различными половину фазовые угол от 0° до 102° с размер шага 3 °.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Прежде чем начинать эксперименты SARPES, k позиций необходимо точно определить за спин решена спектра с помощью высокой статистика спин интегрированных ARPES результаты с высокой энергии - и угловых резолюций (протокол 5.1-5.5). Это проявляется в рисунке 7 где представлены результаты ARPES для Bi2Se3 одного кристалла. Этот материал известен как прототипы Топологический изолятор с вращательно поляризованный поверхности государств...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

ARPES и SARPES методы обычно используются для изучения структуры зонная через группу картирования и спин обнаружения1,2. Помимо этих общих преимуществ, показано выше лазер SARPES на основании правила орбитальных выбора в оптических диполя возбуждения могут быть использованы как Роман технику для визуализации спин орбитальное муфта эффект в стереографическую и квантовая спин вмешательства . Как показано на рисунке 9 и 10

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют, что они не имеют никаких финансовых интересов.

Благодарности

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

Мы благодарим A. M. Накаяма, S. Тоёхиса, Фукусима и Y. Ishida для поддерживает для экспериментальной установки. Мы с благодарностью признаем, финансирование от JSP-страницы Grantin-помощь для научных исследований (B) через проект № 26287061 и для молодых ученых (B) через проект № 15K 17675. Эта работа была также поддержана МПКСНТ Японии (инновационные области «топологических материаловедения,» Грант № 16 H 00979) и JSP-страницы KAKENHI (Грант № 16 H 02209)

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
DA30-L полусферический анализаторScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
ЭпоксиднаяЭпоксидная технологияH20E
Sctoch лента3M801-1-18C
UHV клапанНДС01034-KE01
линейный/ротационный проходнойFerrovacMD40
передаточный стерженьUHV дизайнсерии PP Ferrovac
WM40
Paladin compact 355Coherent
полуволновая пластинаKogakugikenзаказ сделан
биполярный конденсаторный банкTsuji electronics
смола на основе серебра качающейся палки

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -X. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors. Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).
  2. Johnson, P. D. Spin-polarized photoemission. Rep. Prog. Phys. 60 (11), Available from: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/60/11/002/meta 1217-1304 (1997).
  3. Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -G., Kakizaki, A. A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency. Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).
  4. Dil, J. H. Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems. J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001(2009).
  5. Hoesch, M., et al. Spin-polarized Fermi surface mapping. J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).
  6. Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector. Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101(2010).
  7. Okuda, T., Kimura, A. Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002(2013).
  8. Okuda, T., et al. A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution. Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117(2008).
  9. Jozwiak, C., et al. A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry. Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904(2010).
  10. Okuda, T., et al. Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center. Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302(2011).
  11. Yaji, K., et al. High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light. Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111(2016).
  12. Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy. J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001(2015).
  13. Augustine, S., Mathai, E. Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals. Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).
  14. Hasan, M. Z., Kane, C. L. Colloquium: Topological insulators. Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).
  15. Ando, Y. Topological insulator materials. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011(2013).
  16. Zhang, H., Liu, C. -X., Qi, X. -L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -C. Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface. Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).
  17. Cao, Y., et al. Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators. Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).
  18. Zhang, H., Liu, C. -X., Zhang, S. -C. Spin-orbital texture in topological insulators. Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801(2013).
  19. Kuroda, K., et al. Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3. Phys. Rev. B. 94 (16), 165162(2016).
  20. Meier, F., et al. Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys. J Phys-Condens Mat. 23 (7), URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/23/7/072207/meta 072207(2011).
  21. Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature. J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).
  22. Yaji, K., et al. Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states. Nature Commun. 8, 14588(2017).
  23. Noguchi, R., et al. Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states. Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R)(2017).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Spin Resolved PhotoemissionAngle Resolved PhotoemissionPolarization Variable LaserLaser SARPES TechniqueBismuth Selenide SampleUltrahigh Vacuum ChamberHemispherical AnalyzerFermi Surface MappingSpin Polarization MeasurementLight Polarization Control

Похожие статьи