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Engineering

Experimentelle Methoden für Spin - und Winkel-Resolved Photoemission Spectroscopy kombiniert mit Polarisation-Variable Laser

Published: June 28, 2018 doi: 10.3791/57090
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Institute for Solid State Physics, University of Tokyo

Summary

Hier kombinieren wir Polarisation-Variable 7-eV Laser mit Spin und Winkel gelöst fotoemission Technik, die Spin-Orbital Kupplung Wirkung in Festkörpern zu visualisieren.

Abstract

Das Ziel dieses Protokolls ist zu präsentieren wie Spin und Winkel gelöst fotoemission Spektroskopie kombiniert mit Polarisation-Variable 7-eV Laser (Laser-SARPES) durchgeführt, und eine Leistung von dieser Technik für das Studium der Festkörperphysik zu demonstrieren. Laser-SARPES erreicht zwei große Fähigkeiten. Erstens kann durch die Untersuchung orbital Auswahlregel linear polarisierten Laser, orbital selektive Anregung in SAPRES Experiment durchgeführt werden. Zweitens kann die Technik umfassend eine Variation der Quanten Drehachse in Abhängigkeit von der Lichtpolarisation zeigen. Um die Leistungsfähigkeit der Zusammenarbeit dieser Funktionen in Laser-SARPES demonstrieren, wenden wir diese Technik für die Untersuchungen der Spin-Bahn-Verbindung Oberfläche Staaten Bi2Se3. Diese Technik bietet, Spin und Orbital-Komponenten aus der Spin-Bahn-Verbindung-Wellenfunktionen zu zerlegen. Darüber, wie ein repräsentative Vorteil bei der Verwendung der direkten Spin-Erkennung mit der Polarisation-Variable Laser zusammenarbeitete, visualisiert die Technik eindeutig die Lichtpolarisation Abhängigkeit der Quanten Drehachse in drei Dimension. Laser-SARPES steigt dramatisch an eine Fähigkeit der Photonenemission Technik.

Introduction

Winkel gelöst fotoemission Spektroskopie (ARPES) Technik entwickelte sich zu einer der mächtigsten Werkzeug Bandstrukturen Quasiteilchen in Festkörpern1zu untersuchen. Die meisten von attraktive Eigenschaft der ARPES ist die Fähigkeit zur Band-Mapping, um elektronische Staaten im Energie- und Impulserhaltung Raum charakterisieren. Spin-resolved ARPES (SARPES), die hier mit Spin-Detektoren, z.B.ausgestattet ist. Mott-Detektor2,3, weitere ermöglicht es uns, den Spin-Charakter der beobachteten Band Strukturen4zu lösen. Da der Mott-Detektor die Spin mit zwei Achsen (X und Zoder y und Z) messen kann, ermöglicht die Kombination der beiden Mott Detektoren weiter Spin-Orientierung in drei Dimensionen4,5 zu erhalten . Seit mehreren Jahrzehnten jedoch die SARPES Experimente waren litt ihre geringe Effizienz (in der Regel 1/10000 im Vergleich dazu für Spin-integrierte ARPES Messung)3,4,5,6 ,7, die die Energie und eckige Auflösung begrenzt hatte. Vor kurzem wurde die Energieauflösung von SARPES mit einem hocheffizienten Spin-Detektor basierend auf Exchange-Streuung, die so genannte sehr-niedrig-Energie-Elektronenbeugung (VLEED) Detektor7,8,9 erhöht ,10. Mit diesem Detektor die Datenqualität wurde deutlich verbessert und die Daten Akquisition verkürzt. Vor kurzem gelungen, SARPES stark um Spin-polarisierten elektronische Staaten und vor allem Spin-Bahn Kopplung Effekts in der Spin-Textur der Oberfläche Bands7zu beheben.

Hier beschäftigen wir SARPES Messungen mit einer Polarisation-Variable Vakuum-Ultraviolett laser-Licht (Laser-SARPES) und die großen Vorteile dieser kombinierten Technik zu demonstrieren. Durch die Untersuchung auf die Spin-Bahn-Verbindung Oberfläche Staaten Bi2Se3präsentieren wir Ihnen zwei Möglichkeiten der Laser-SARPES. Erstens wegen der orbital Auswahlregel linear polarisierten Laser in Dipol Übergang Regime, p- und s-polarisiertes Licht selektiv begeistern einen Teil des Eigen-Wellenfunktionen mit verschiedenen orbitalen Symmetrie. Solch eine orbitale selektive Anregung gibt es dabei in SARPES, nämlich Orbital-selektive SARPES. Zweitens, dreidimensionale (3D) Spin-Erfassung in SARPES zeigt die Richtung der Drehachse Quanten und direkt zeigt vollständige Informationen über die Licht-Polarisation-Abhängigkeit. In diesem Protokoll beschreiben wir kurz eine Methodik um diese State-of-the-Art Laser-SARPES Technik um die starken Spin-Bahn Kopplung Auswirkungen zu studieren.

Unsere Laser-SARPES-System befindet sich am Institut für Festkörperphysik, The University of Tokyo11. Die schematische Zeichnung unserer Laser-SAPRES-Maschine ist in Abbildung 1dargestellt. Die Polarisation-Variable 7-eV Laser Licht12 erhellt die Probenoberfläche und der Photoelektronen werden aus der Probe abgegeben. Die Polarisation der Laser automatisch gesteuert MgF2- basierte λ/2- und λ/4-wellenplatten, lineare und zirkularen Polarisationen selektiv zu verwenden. Eine halbkugelförmige Elektron-Analysator korrigiert die Photoelektronen und analysiert ihre kinetische Energie (EKin) und Emissionswinkel (θX und θy). Die Photoelektronen Intensitäten werden auf der EKin-θX Bildschirm überwacht von einer CCD-Kamera abgebildet. Dieses Bild wird direkt in die Energie-Bandstruktur im reziproken Raum umgewandelt.

Für SARPES Messung der Photoelektronen mit einem bestimmten Abstrahlwinkel und die kinetische Energie von den Elektronen-Analyzer analysiert orientieren sich an zwei VLEED-Typ-Spin-Detektoren mit einem 90-Grad-Photoelektronen-Deflektor und Photoelektronen Balken konzentrieren sich auf zwei verschiedene Ziele der Fe(001) -p(1 × 1) Filme von Sauerstoff gekündigt. Die Photoelektronen reflektierten die Ziele werden in einzelne Kanalerkennung erkannt, mithilfe einer Channeltrons in jeder Spin-Detektor gelegt. Die VLEED Ziele können mit Helmholtz-Typ elektrische Spulen magnetisiert werden, die mit orthogonalen Geometrie zueinander angeordnet sind. Die Magnetisierungsrichtung der bipolaren Kondensator-Bank gesteuert. Die doppelte VLEED Spin-Detektoren ermöglichen dabei den Spinpolarisation Vektor der Photoelektronen in drei Dimensionen zu analysieren.

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Protocol

1. Probe Montage und Installation

  1. Einkristall Proben von Bi2Se313 in eine ungefähre Größe von 1 × 1 × 0,5 mm geschnitten3 und Nutzung Splitter-basierte Epoxy, die Probe der Probenhalter zu kleben.
  2. Fügen Sie das Klebeband auf der Probenoberfläche.
    Hinweis: Das tesaband dient zum Spalten der Probe in ultrahigh Vakuumkammer (UHV) eine atomar saubere Oberfläche zu erhalten.
  3. Installieren Sie des Beispiels in die Probe Magazin in die Last-Sperre, und starten Sie die Pumpe, bis der Druck des Schlosses Last niedriger als 1 × 10-5 PA.

2. Beispiel Spalten

  1. Öffnen Sie das UHV-Ventil zwischen der Last-Schloss und der UHV-Vorbereitung-Kammer.
  2. Verschieben Sie das Probe-Magazin aus dem Last-Felsen Vorbereitung Kammer mithilfe der linearen/Rotary Durchführung die Schleusenkammer Last befestigt ist.
  3. Abholen der Probe aus der Probe Magazin von der Transfer-Rod an der Vorbereitung Kammer angebracht.
  4. Wieder das Beispiel Magazin ins Last Schloss und schließen Sie UHV Ventil.
  5. Warten Sie, bis der Druck der Vorbereitung Kammer unterhalb 5 × 10-7 PA.
  6. Schälen Sie das tesaband Wobble Stick in der Vorbereitung-Kammer mit und Spalten Sie die Probe unter der UHV-Bedingung.

(3) Probentransfer, die Messposition

  1. Übertragen Sie die Probe auf die UHV-Messkammer, und beheben Sie die Probe Gonio-Hauptbühne durch den Schraubenzieher mit der Messkammer ausgestattet.
  2. Verschieben Sie die Gonio-Phase, die Messposition und genau Probenposition auf den Schwerpunkt des Spektrometers verschieben mithilfe der Mikrometer-Bühne.

4. 7eV-Laser-Setup

  1. Schalten Sie die Nd:YVO4-Laser.
    Hinweis: Der Laser erzeugt 355 nm Laserlicht mit einer hohen Wiederholungsrate von 120 MHz.
  2. Den Laser-Strahl-Verschluss zu öffnen, und sicherstellen, dass der Laser die KBBF Kristall und eine zweite harmonische Welle von 177 durchläuft nm (6,994 eV) generiert.
  3. Optimieren Sie die Leistung des 7eV-Lasers durch eine Änderung der Leistung des Lasers mit der Variable Abschwächer 355 nm.

5. ARPES Datenerfassung

  1. Die Analysator Steuerungssoftware auf dem Desktop-Computer zu öffnen.
    Hinweis: Wir verwenden "SES-Software", die ein allgemeines Programm für steuernde ScientaOmicron Analyzer mit einem Elektron-Deflektor ist.
  2. Wählen Sie Setup... unter Sequenz im Menü bar (Bild 2, Schritt i. 2-1).
  3. Wählen Sie ARPES Konfiguration (Abbildung 3, Schritt i. 3-1) und ARPES Mapping in der Liste (Abbildung 3, Schritt i. 3-2) zur Durchführung Fermi Oberfläche Zuordnung mit dem Photoelektronen-Deflektor.
  4. Klicken Sie auf Bearbeiten (Abbildung 3, Schritt i. 3-3) und konfigurieren Sie Fermi Oberfläche Zuordnung von-12 ° bis 12 ° ein Emissionswinkel θy mit Schrittweite von 0,5 ° (Abbildung 3, Schritt i. 3-4).
    Hinweis: Der halbkugelförmige Analyzer mit einem Elektron-Deflektor ermöglicht uns die Fermi Oberfläche ohne die Probe Rotationen zuordnen.
  5. Klicken Sie auf Ausführen (Abbildung 2, Schritt i. 2-3).

6. SARPES Datenerfassung

  1. Manuell ändern der Maschineneinstellung zur SARPES Messung einschließlich der Analysator Einlauföffnung und Maschenweite (Abbildung 1).
  2. Wählen Sie Setup... unter Sequenz im Menü bar (Bild 2, Schritt i. 2-2).
  3. Wählen Sie Konfiguration drehen (Abbildung 4, Schritt i. 4-1) und Normal in der Liste (Abbildung 4, Schritt i. 4-2), und klicken Sie auf "OK" (Abbildung 4, Schritt i. 4-3).
  4. DA30 (Abbildung 5, Schritt i. 5-1) auf die Menüleiste und Kontrolle Thetaauswählen... (Abbildung 5, Schritt i. 5-2) um die Einstellung für die DA30 Winkel (θX, θy) Konfiguration zu öffnen.
  5. Wählen Sie den Emissionswinkel (θX, θy) = (-6 °, 0 ° c) zu SARPES Spektren (Abbildung 5, Schritt i. 5-3).
  6. Magnetisches Feld durch die Kontrolle der bipolaren Kondensator-Bank um das VLEED Ziel in positiver Richtung entlang der bestimmten Achse magnetisieren gelten (α: X, yoder Z).
    Hinweis: In unserem System kann dieser Prozess über Eingabeaufforderung [Abb. 6 (a)] erfolgen.
  7. Klicken Sie auf Ausführen , um Intensität Spektrum (Abbildung 2, Schritt i. 2-3) zu nehmen.
  8. Legen Sie Magnetfeld um das VLEED Ziel in negativer Richtung entlang α zu magnetisieren und Scan Intensität Spektrum zu starten.
  9. Berechnen der Spinpolarisation und die Spin-gelöst-Spektren.

7. Scannen die Lichtpolarisation Abhängigkeit

  1. Ändern Sie den Winkel der λ/2-Waveplate exakt gesteuert durch die Schrittmotor Tune die Lichtpolarisation des 7 eV-Lasers.
    Hinweis: In unserem System kann dieser Prozess über Eingabeaufforderung [Abb. 6 (b)] erfolgen.
  2. Nehmen Sie die Drehung gelöst Spektren für X, y und Z -Achsen.
  3. Scannen Sie die Drehung gelöst Spektren als Funktion der Lichtpolarisation mit den halben Waveplate Winkel von 0° bis 102° mit Schrittweite von 3°.

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Representative Results

Bevor Sie beginnen SARPES Experimente, müssen k Positionen genau bestimmt werden, für die Aufnahme von Spin gelöst Spektrum mit hohen statistischen Spin-integrierte ARPES Ergebnisse mit hoher Energie - und kantig-Auflösungen (Protokoll 5.1-5.5). Dies wird in Abbildung 7 gezeigt, wo die ARPES Ergebnisse für eine Bi-2Se3 Einkristall vorgestellt werden. Dieses Material ist als prototypische topologischer Isolator mit einem Spin-polarisierten Oberfläche Staaten14,15bekannt. Die ARPES-Band-Karte löst deutlich die sehr steile Dirac-Kegel-wie Energie Dispersion der zweidimensionalen Oberfläche Stand16. Die ARPES Ergebnisse bestätigen die hohe Qualität der Oberfläche gespalten und die Probe Ausrichtung. Aus den Energie- und Impulserhaltung Informationen der Band Karte und die Fermi Oberfläche Zuordnung können jetzt der bestimmten Abstrahlwinkel für SARPES Experiment.

Abbildung 8 (a) repräsentiert die Energie Verteilungskurven (EDZ) für unterschiedliche Magnetisierung Richtung (+My undMy) genommen (θX, θy) = (-6 °, 0 ° c) über -kF von der Oberfläche-Band, entsprechend den Schnitt entlang der gestrichelten Linie in Abbildung 7gezeigt. Aus den Daten erhalten Sie im folgenden die Drehung gelöst EDZ. Zunächst wird der Spinpolarisation (Py) geschätzt, mithilfe dieser Beziehung:

Equation 1

wo α ist die aufgelöste Achse (X, y und Z), und ich+M α (ich–M-α) ist der Photoelektronen Intensität für +M α (-M α), und S EFF ist die Sherman-Funktion, die in der Regel 0,311ist. Die erhaltenen Py Kurve ist in Abbildung 8 (b)dargestellt. Die Drehung gelöst Spektren für Spin-Up (Equation 2) und Spin-Down (Equation 3) dann erhält man durch:

Equation 4

Die daraus resultierenden Spin-gelöst Spektren werden in gezeigt Abbildung 8(c).

Die doppelte VLEED Spin-Detektoren können wir 3D Spin-Auflösung X, y und Z Achsen zu erhalten. Dies zeigt sich in Abbildung 9(a) wo die Drehung gelöst Spektren mit p-Polarisation-Set-up und die entsprechenden Spinpolarisation (PXund Py P-Z) sind gezeigt. Die klare Spitze in der Nähe der Fermi-Energie ist der Oberflächenzustand der Bi2Se3zugeordnet. Die Daten stellt dar, dass Py Spin-polarisierten ~ 100 % ist, während die übrigen Bestandteile, Px und P-Z, vernachlässigbar klein sind. Die 3D Spin-aufgelösten Spektren so veranschaulichen die Drehachse Quanten von der Oberflächenzustand an y, fixiert die steht im Einklang mit Band Berechnungen16,17,18.

Dann konzentrieren wir uns auf die Orbitale selektive Anregung des p- und s-polarisierte Laser. Im Allgemeinen wird unter starken Spin-Bahn Kopplung, verschiedenen orbitalen Symmetrie mit gegenüberliegenden Spinor in einem einzigen Eigenfunction17,18gemischt. In unsere experimentelle Geometrie, p-polarisiert (s-polarisiert) Licht reagiert empfindlich auf px und p-Z (py) Orbitale Komponenten in der Spin-Bahn gekoppelt Wellenfunktion (Einschub in Abbildung 9). Orbital-selektiven Laser-SARPES sollte dabei durch die Spin-Orbital-Kupplung erkennen gegenüberliegenden Spinpolarisation für p- und s-Polarisation. In der Tat ist dies in Abbildung 9(a) und 9 Buchstabe bgezeigt. Wir beobachten eindeutig erhebliche Lichtpolarisation Abhängigkeit des Py direkt anzeigen Spin-Bahn-Kopplung-Effekt in der Oberflächenzustand17,18.

Darüber hinaus bietet Laser-SARPES weiter zu untersuchen, die lineare Polarisation Evolution PXund Py PZ auch bei gekippten Lichtpolarisation zwischen p- und s-Polarisationen 19. wie in Abbildung 10(a)dargestellt, Laser-SARPES mit 3D Spin Erkennung zeigt PXund Py PZ bei 0,025 eV von der Bindungsenergie in Abhängigkeit von der Linear-Polarisationen. Hier enthält das Ergebnis 102 Datenpunkte, die innerhalb von 6 h erworben wurde. Die Polarisierung Abhängigkeit Py ist leicht erklärt, eine Tatsache, die positiven und negativen Py von der Photoelektronen angeregt durch p- und s-Komponenten des verwendeten Lasers aufheben. Jedoch kann dies nicht die Entwicklung von PX und PZerklären. Um dieses Ergebnis vollständig zu beschreiben, ist es notwendig zu prüfen, kohärente Spin Prozess im fotoemission wie in Abbildung 10(b)zusammengefasst. Wenn die lineare Polarisation Spin-Up und Spin-Down Staaten gleichzeitig erregt, sind diese zwei Quanten-Spin-Basen kohärent überlagert in Photoelektronik Zustand, was die Spin-Rotation. In der Tat die angezeigten Polarisierung Abhängigkeit ist gut reproduziert, indem die MODELLRECHNUNG mit einer Betrachtung der kohärenten Interferenzen zwischen Spin-Up und Spin-Down begeistert von p- und s-Polarisationen19. Der ähnliche Spin-Effekt wurde alternativ mit Synchrotronstrahlung20,21von 3D SARPES beobachtet.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Zeichnung von Detektionssystemen des Laser-SARPES. Zwei VLEED Spin-Detektoren mit orthogonalen Geometrie angeordnet sind mit der halbkugelförmigen Photoelektronik Analyzer verbunden. Diese Zahl verändert wurde, vom Yaji, K. Et Al. 11. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Screenshots des Analysators Steuerungssoftware. Schritte i. 2-1 bis i. 2-3 zeigen wie Sie beginnen Erkennungsmodus (ARPES oder SARPES) und nehmen Daten auszuwählen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Screenshots des Steuerelements panel für die Wahl Erkennungsmodus. Schritte i. 3-1 bis i. 3-4 zeigen, wie Fermi Oberfläche Mapping starten. Drückt man der Button Bearbeiten (Schritt i. 3-3), wird das neue Panel pop-up zum Definieren der Eigenschaften des Mappings (Schritt i. 3-4).

Figure 4
Abbildung 4: Screenshots des Steuerelements panel für die Wahl Erkennungsmodus. I. 4-1 Schritten i. 4-3 wie SARPES-Modus zu starten. Wenn die Region von Spin ausgewählten (Schritt i. 4-1) und der Boden ist "OK" gedrückt wird (Schritt i. 4-3), das Gremium wird geschlossen und das ganze Analyzer-Setup schaltet den SARPES Modus sein.

Figure 5
Abbildung 5: Screenshots des Elektrons Deflektor-Bedienfelds. Schritte i. 5-1 bis i. 5-3 zeigen, wie den Photoelektronen-Deflektor zu steuern. Wenn die Region Kontrolle Theta... (Schritt i. 5-2) gedrückt wird, wird das neue Panel pop-up zum Definieren der Eigenschaften der Photoelektronen-Deflektor (Schritt i. 5-3). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 6
Abbildung 6: Screenshots der Panels für Magnetfeld Spin Ziele und Lichtpolarisation. Diese Eigenschaften werden von Befehlszeilen in unserem System gesteuert. (a) den Befehl, das magnetische Feld für Spin Ziele zu kontrollieren: "spin_coil.exe + X" entspricht "der Name der Datei der Anwendung", "die Richtung des Feldes, + oder -" und "die Achse, X, y oder Z". (B) den Befehl, die Lichtpolarisation zu kontrollieren: "wave_plate.exe 180" entspricht "der Name der Datei der Anwendung" und "der Winkel des λ-/2-waveplate".

Figure 7
Abbildung 7: Fermi Oberfläche Darstellung sowie E-k -Band Darstellung Bi2Se3 Oberfläche Zustand mithilfe ARPES. Die gestrichelte Linie zeigt k -Position für ihre Drehung gelöst Spektren in Abbildung 8 und Abbildung 9gezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 8
Abbildung 8: Spin und Winkel gelöst Oberfläche Band Spektren von Bi2Se3. (a) Energie Verteilungskurven (EDZ) für unterschiedliche Magnetisierung Richtungen +My und -M-y an eine feste Abstrahlwinkel entsprechend der gestrichelten Linie Schnitt in Abbildung 7gemessen. (b) Spin Polarisationen als Funktion der Bindungsenergie aus der Drehung gelöst-Analyse. (c) die resultierende EDZ für Spin-Up (rote Dreiecke) und Spin-Down (blaue Dreiecke) Kanäle. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 9
Abbildung 9: p- und s-Polarisation Abhängigkeit der Photoelektronen Spin aus der Oberflächenzustand der Bi2Se3. (a) und (b) 3D Drehung gelöst Spektren fürx-, y- und Z-Achsen und die entsprechenden Spin Polarisationen (PXund Py PZ) als Funktion der Bindungsenergie erhalten durch p- und s -Polarisationen auf eine feste Abstrahlwinkel entsprechend der gestrichelten Linie Schnitt in Abbildung 7. In den Nebenkarten, experimentellen Konfigurationen für p- und s-Polarisierungen werden angezeigt. Diese Zahl wurde von Kuroda K. Et al.modifiziert. 19. p- (s) - Polarisation selektiv reizt px und p-Z (py) wie orbital Wellenfunktion. Px und p-Z (py) Staaten sind gekoppelt an +y Spin (−y Spin) in dem Spin-Orbital gekoppelt Oberflächenzustand16,17. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 10
Abbildung 10: dreidimensionale Spin-Polarisation-Effekt durch linear polarisiertes Licht induziert. (a) Linear polarisiert die Grundstücke von PX,y,Z der Bi2Se3 Oberflächenzustand in Bezug auf die angewandte Laser. Der Einschub ist das angewandte elektrische Feld des Lasers auf der X-Z -Ebene projiziert dargestellt. Die allgemeine Datenpunkte wurden innerhalb von 6 h. Diese Zahl verändert wurde, vom Kuroda, K. Et Al. 19. (b) visualisiert 3D Spin-Rotation an der Störquelle spin-Spin-Up und Spin-Down. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

ARPES und SARPES Techniken wurden häufig verwendet für das Studium der elektronischen Bandstrukturen durch die Zuordnung von Band und Spin-Erkennung1,2. Neben diesen allgemeinen Vorteilen, die oben gezeigt kann Laser-SARPES basierend auf orbital Auswahlregel in optischen Dipol Erregung als eine neuartige Technik zur Visualisierung des Spin-Orbital-Kupplung-Effekts in der Wellenfunktion und Quantum Spin Eingriff eingesetzt werden . Wie in Abbildung 9 und 10, die Polarisation der Laser leicht manipuliert werden nur durch wellenplatten, geneigte lineare Polarisationen zwischen p- und s-Polarisationen19. Im Prinzip können Kreis- und sogar elliptisch polarisierten Licht erhalten und in Laser-SAPRES verwendet werden. Diese Vielzahl von einstellbaren Polarisation wird kaum in herkömmlichen Lichtquelle wie edel-Gas-Entladungslampe und Synchrotronstrahlung gewonnen. Daher steigt eine Kombination aus Polarisation-Variable Laser und SARPES mit 3D Spin-Auflösung dramatisch eine Fähigkeit der Photonenemission Technik.

Um Laser-SARPES unter den besten Bedingungen durchzuführen, muss man immer vorsichtig über Raumladung Effekt12, sein die in der Regel die Energie der Photoelektronen aufgrund der Coulomb-Abstoßung in ein dichtes Elektron-Paket von der high-Intensity-Laser emittiert erweitert. Wenn dieses Problem auftritt, muss man die Leistung des Lasers 7-eV (Schritt 4.3) zu optimieren. Zweitens Wenn die Photoelektronen-Intensität von Proben schlecht ist, Analysator Eingang Schlitz, und sollte die Blende öffnen (Schritt 6.1), jedoch wird in diesem Fall die Energieauflösung geopfert. Daher muss man sorgfältig auswählen, den Versuchsaufbau, Laser-SARPES Experimente zu passen.

Der größte Nachteil des Laser-SARPES im Vergleich zu standard fotoemission Technik mit Synchrotronstrahlung ist, dass die Photonen-Energie des Lasers in Laser-SAPRES in der Regel nicht abstimmbaren ist. Im fotoemission Technik abstimmbare Photon ist notwendig, kZ Dispersion Sonde, 3D Bulk Bandstrukturen identifiziert und zweidimensionale Fläche1. Darüber hinaus kann die Photonen-Energie von 7 eV verwendet in diesem Papier kleine k Bereich vergleichbar mit höheren Photonenenergie scannen. Laser-SARPES beschränkt sich daher wahrscheinlich in die Untersuchungen der zweidimensionalen Oberfläche Staaten um Brillouin-Zone Zentrum.

Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass die Macht der Laser-SARPES Technik weit für Spin-Bahn-Verbindung Staaten angewendet werden kann. Vor kurzem, mithilfe des Protokolls, die in diesem Dokument beschrieben, haben wir weiter ergeben starken Spin-Bahn-Kopplung-Effekt und seine bedeutende k-Abhängigkeit in Bi Dünnschicht-22 und BiAg2/Ag(111) Oberfläche Legierung23. Darüber hinaus ist es erwähnenswert, dass hocheffiziente SARPES Technik steht erst am Anfang, zu entwickeln und allmählich eine experimentelle Standardtechnik wird. Das Protokoll soll helfen Forschern SARPES verwenden und die produzierten Daten zu verstehen.

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Disclosures

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

Acknowledgments

Wir bedanken uns bei M. Nakayama, S. Toyohisa, A. Fukushima und Y. Ishida für unterstützt, den Versuchsaufbau. Wir dankbar anerkennen, Finanzierung von JSPS Grantin-Hilfe für wissenschaftliche Forschung (B) durch Projekt Nr. 26287061 und für junge Wissenschaftler (B) durch Projekt Nr. 15K 17675. Diese Arbeit wurde auch unterstützt durch MEXT of Japan (innovativer Bereich "topologische Werkstoffwissenschaft," gewähren Nr. 16 H 00979) und JSPS KAKENHI (Grant Nr. 16 H 02209)

Materials

Name Company Catalog Number Comments
DA30-L hemispherical analyzer ScientaOmicron http://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
Silver-based epoxy Epoxy Technology H20E
Sctoch tape 3M 801-1-18C
UHV valve VAT 01034-KE01
linear/rotary feedthrough Ferrovac MD40
transfer rod UHV design PP series
wobble stick Ferrovac WM40
Paladin compact 355 Coherent
half waveplate Kogakugiken order made
Bipolar condenser bank Tsuji electronics

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References

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Laser-Technik Ausgabe 136 Festkörperphysik Bandstruktur von Feststoffen Spin-Bahn-Kopplung Spinpolarisation Oberfläche Staaten fotoemission Spin-Detektor,
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Kuroda, K., Yaji, K., Harasawa, A., Noguchi, R., Kondo, T., Komori, F., Shin, S. Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser. J. Vis. Exp. (136), e57090, doi:10.3791/57090 (2018).

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