Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

שיטות נסיוניות עבור ספין - ואת זווית-נפתרה ספקטרוסקופיה Photoemission בשילוב עם לייזר משתנה-קיטוב

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

כאן, אנו משלבים משתנה-קיטוב 7-eV לייזר עם ספין - ואת זווית-נפתרה טכניקה photoemission כדי להמחיש את האפקט צימוד ספין-מסלולית במדינות מוצק.

Abstract

המטרה של פרוטוקול זה היא להציג כיצד לבצע ספין - ואת זווית-נפתרה ספקטרוסקופיה photoemission בשילוב עם לייזר 7-eV משתנה-קיטוב (לייזר-SARPES), להפגין כוח של טכניקה זו ללמוד פיסיקה של מצב מוצק. לייזר-SARPES משיגה שתי יכולות גבוהות מאוד. ראשית, על ידי בחינת כלל בחירה ההקפה של לייזרים מקוטב לינארית, עירור סלקטיבי מסלולית יכול להתבצע בניסוי SAPRES. שנית, בטכניקה יכול להציג מידע מלא של וריאציה של הציר קוונטית ספין כפונקציה של קיטוב האור. להפגין את הכוח של שיתוף פעולה של יכולות אלה בלייזר-SARPES, אנו מיישמים את הטכניקה הזו על החקירות של מדינות דו2Se3משטח ספין-מסלול משולב. טכניקה זו מאפשרת מתפרקת ספין ורכיבים מסלולית מ wavefunctions ספין-מסלול משולב. יתר על כן, כפי יתרון נציג של באמצעות זיהוי ספין ישירה שיתף פעולה עם הלייזר משתנה-קיטוב, הטכניקה מדמיין חד משמעית את התלות קיטוב האור של הציר קוונטית ספין בממד-שלוש. לייזר-SARPES מגדיל באופן דרמטי יכולת בטכניקת photoemission.

Introduction

Photoemission נפתרה-זווית ספקטרוסקופיה (ARPES) הטכניקה התפתחה אחד הכלי החזק ביותר לחקור מבנים הלהקה quasiparticle הברית מוצק1. רוב תכונה אטרקטיבי של ARPES הוא היכולת למיפוי הלהקה לאפיין הברית אלקטרונית בחלל אנרגיה ותנע. ספין-נפתרה ARPES (SARPES), אשר מצויד פה ספין-גלאי, למשל. מוט גלאי2,3, עוד יותר מאפשר לנו לפתור את התו ספין של הלהקה שנצפה מבנים4. מאז הגלאי מוט יכול למדוד הספין עם שני צירים (x ו- z, או y ו- z), השילוב של מוט שני את גלאי נוסף מאפשר להשיג את כיוון הספין בתלת-מימד4,5 . במשך כמה עשורים, עם זאת, הניסויים SARPES היו סבלה היעילות שלהם נמוכה (בדרך כלל 1/10000 בהשוואה לזה למדידה ARPES משולבת ספין)3,4,5,6 ,7, אשר היה מוגבל האנרגיה ואת זוויתי-החלטות. לאחרונה, הרזולוציה האנרגיה של SARPES הוגדלה עם גלאי ספין יעילות גבוהה המבוססת על החלפת פיזור, מאוד-אנרגיה נמוכה כביכול אלקטרון-עקיפה (VLEED) גלאי7,8,9 ,10. עם זה גלאי, שופר משמעותית איכות הנתונים, קוצר הזמן רכישת נתונים. לאחרונה, SARPES הצליחה במידה רבה כדי לטפל מקוטב-ספין הברית אלקטרונית ו ספין-מסלול השפעה צימוד במיוחד וכתוצאה מכך המרקם ספין של להקות משטח7.

כאן, אנו מעסיקים SARPES ומדידות עם ואקום קיטוב משתנה על-סגול לייזר אור (לייזר-SARPES), להפגין את היתרונות הגדולים של טכניקה משולבת זו. דרך החקירה על הברית ספין-מסלול משולב משטח דו2Se3, אנו מציגים שתי היכולות של לייזר-SARPES. ראשית, בשל החוק בחירה ההקפה של לייזרים מקוטב לינארית דיפול המעבר למשטר, p- ו s-אור מקוטב באופן סלקטיבי לרגש חלק אופנים עצמיים-wavefunctions עם סימטריה מסלולית השונים. כזה עירור סלקטיבי מסלולית זמין ובכך SARPES, כלומר, אורביטל סלקטיבית SARPES. שנית, תלת מימדי (3D) ספין-זיהוי SARPES מראה את הכיוון של הציר קוונטית ספין, ישירות מציג מידע מלא של התלות קיטוב האור. ב פרוטוקול זה, נתאר בקצרה מתודולוגיה לביצוע טכניקה זו המדינה-of-the-art לייזר-SARPES לחקור את ההשפעות של צימוד ספין חזק-מסלול.

מערכת לייזר-SARPES שלנו ממוקם המכון לפיזיקה מצב מוצק, האוניברסיטה של טוקיו11. ציור סכמטי של מכונת לייזר-SAPRES שלנו מוצג באיור1. אור לייזר 7-eV משתנה-קיטוב12 מאירה השטח מדגם, photoelectrons נפלטים מן המדגם. קיטוב של לייזר נשלטת באופן אוטומטי על ידי MgF2- λ מבוסס/2 - ו λ/4-waveplates לשימוש באופן סלקטיבי polarizations ליניארית ועוד. מנתח אלקטרון המיספרי מתקנת את photoelectrons, ומנתח שלהם אנרגיה קינטית (E. קין) והזווית פליטה (θ באמצעותx וθ באמצעותy). עוצמות photoelectron ממופים על Eקין- מסךθ באמצעותx על-ידי מצלמת CCD. תמונה זו הוא הופך מיד אנרגיה מבנה בחלל הדדיים.

למדידה SARPES, photoelectrons עם זווית פליטה ספציפיים, אנרגיה קינטית נותחו על ידי במנתח אלקטרון מונחות על שני גלאים ספין מסוג VLEED עם מטה הטיה 90 מעלות photoelectron ואת הקורות photoelectron מתמקדים על שניים מטרות שונות של Fe(001) -p(1 × 1) סרטים על ידי חמצן. Photoelectrons בא לידי ביטוי במטרות מאותרים בזיהוי ערוץ אחד באמצעות channeltron להציב כל גלאי ספין. המטרות VLEED יכול להיות ממוגנט עם סלילים חשמליים מסוג הלמהולץ אשר מסודרים עם גאומטריה אורתוגונלית ביחס אחד לשני מגנוט בכיוון נשלטת על ידי הבנק מעבה הפרעה דו קוטבית. גלאי טווח VLEED כפול ובכך מאפשרים לנו לנתח את הוקטור ספין-קיטוב של photoelectron בשלושה ממדים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. לטעום הר והתקנה

  1. חתך בודד-קריסטל דגימות של Bi2Se313 גודל משוער 1 × 1 × 0.5 מ מ3 ושימוש נכספת אפוקסי על בסיס להדביק את הדגימה כדי המחזיק לדוגמה.
  2. הדבק את הסלוטייפ על פני מדגם.
    הערה: הסלוטייפ משמש כדי לבקע את הדגימה בתא על קוליים ואקום (UHV) כדי להשיג על משטח נקי מאגרי.
  3. התקן את הדגימה המדגם מגזין בתוך המנעול עומס, להפעיל את המשאבה עד הלחץ של המנעול עומס נמוך מ 1 × 10-5 הפלסטינית.

2. דגימה ביקוע

  1. . פתח את הברז UHV בין המנעול עומס תא הכנה UHV
  2. להעביר את המגזין דגימה מן הסלע עומס לחדר הכנה באמצעות את הסדרה ליניארי/חוגה אשר מחובר אל התא מנעול עומס.
  3. לאסוף את הדגימה מדגם מגזין על ידי מוט העברה מצורף אל התא הכנה.
  4. להחזיר את הדגימה מגזין למנעול עומס, סגור את השסתום UHV.
  5. המתן עד הלחץ לשכת ההכנה מתחת × 10 5-7 הפלסטינית.
  6. לקלף את הסלוטייפ באמצעות מקל התנודדות בבית הבליעה הכנה, קליב הדגימה תחת התנאי UHV.

3. מדגם העברה למיקום מדידה

  1. להעביר את הדגימה אל התא מדידה UHV, ותקן את הדגימה כדי gonio-הבמה המרכזית על ידי מנהל ההתקן בורג מצויד לתא המדידה.
  2. העבר gonio-הבמה למצב מדידה ולהשתמש השלב מיקרומטר להעביר בדיוק את מיקום הדגימה אל המוקד של ספקטרומטר.

4. 7eV-לייזר ההתקנה

  1. להפעיל את הלייזר Nd:YVO4.
    הערה: הלייזר מייצר אור לייזר nm 355 עם שיעור החזרות גבוהים של 120 מגה-הרץ.
  2. פתח את התריס קרן לייזר, וודא כי הלייזר עוברת דרך הגביש KBBF, גל שנייה-הרמוני של 177 nm (6.994 eV) נוצר.
  3. למטב את עוצמת הלייזר 7eV על-ידי שינוי עוצמת הלייזר 355-nm עם מחליש המשתנה.

5. ARPES קירור והקפאה

  1. פתח את תוכנת שליטה מנתח במחשב שולחני.
    הערה: אנו משתמשים "SES תוכנה", שהינה תוכנית כללית עבור השליטה ScientaOmicron מנתח עם מטה הטיה אלקטרון.
  2. בחר Setup. להלן רצף בתפריט בר (איור 2, שלב i.2-1).
  3. לבחור תצורה ARPES (איור 3, שלב i.3-1) ומיפוי ARPES ברשימה (איור 3, שלב i.3-2) כדי לבצע מיפוי משטח פרמי עם מטה הטיה photoelectron.
  4. לחץ על עריכה (איור 3, שלב i.3-3) ולקבוע תצורה של מיפוי משטח פרמי ועד-12 ° ° 12 של פליטה זווית θ באמצעותy עם שלב בגודל של 0.5 ° (איור 3, שלב i.3-4).
    הערה: במנתח המיספרי עם מטה הטיה אלקטרונים מאפשרת לנו למפות את פני השטח פרמי ללא לסיבובים מדגם.
  5. לחץ על הפעל (איור 2, שלב i.2-3).

6. SARPES קירור והקפאה

  1. לשנות באופן ידני את תצורת מחשב למדידה SARPES כולל את מנתח בכניסה חריץ וגודל הצמצם (איור 1).
  2. בחר Setup. להלן רצף בתפריט בר (איור 2, שלב i.2-2).
  3. לבחור ספין תצורה (איור 4, שלב i.4-1) ו- Normal ברשימה (איור 4, שלב i.4-2) ולחץ על OK (איור 4, שלב i.4-3).
  4. בחר DA30 (איור 5, שלב i.5-1) על שורת התפריטים ועל תטא שליטה... (איור 5, שלב i.5-2) כדי לפתוח את הלוח הגדרה עבור תצורת זווית (θ באמצעותx, θ באמצעותy) DA30.
  5. לבחור את הזווית פליטה (θ באמצעותx, θ באמצעותy) = (-6 °, 0 °) לקחת SARPES ספקטרה (איור 5, שלב i.5-3).
  6. להחיל את השדה המגנטי על ידי שליטה לבנק מעבה דו-קוטבי מגנט את המטרה VLEED בכיוון חיובי לאורך הציר מסוים (α: x, yאו z).
    הערה: במערכת שלנו, תהליך זה יכול להיעשות באמצעות שורת הפקודה [איור 6 (א)].
  7. לחץ על הפעל את עוצמת ספקטרום (איור 2, שלב i.2-3).
  8. להחיל שדה מגנטי מגנט את המטרה VLEED בכיוון השלילי לאורך α ולהתחיל סריקה לקחת ספקטרום העוצמה.
  9. לחשב את הספין-קיטוב ספקטרום ספין-נפתרה.

7. לסרוק את התלות קיטוב האור

  1. לשנות את הזווית של λ/2-לוחית גל בדיוק נשלט על ידי המנוע דריכה לכוון את קיטוב האור 7 eV-לייזר.
    הערה: במערכת שלנו, תהליך זה יכול להיעשות באמצעות שורת הפקודה [איור 6 (ב')].
  2. קח ספקטרום נפתרה-ספין על צירי x, y ו- z .
  3. סרוק ספקטרום נפתרה-ספין כפונקציה של קיטוב האור עם משתנה הזווית חצי לוחית גל של 0° ל ° 102 צעד בגודל של 3°.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

לפני תחילת הניסויים SARPES, עמדות k צריך להיקבע באופן מדויק עבור לוקחת ספקטרום ספין-נפתרה על-ידי שימוש סטטיסטי גבוה משולבת ספין ARPES תוצאות עם אנרגיה - ו זוויתי-ברזולוציות גבוהות (פרוטוקול 5.1-5.5). הוכח ב איור 7 שבו מוצגות התוצאות ARPES עבור Bi2Se3 גביש יחיד. חומר זה נקרא בידוד חשמלי טופולוגי טיפוסית עם ספין-מקוטב הברית משטח14,15. המפה הלהקה ARPES פותר באופן ברור את פיזור אנרגיה דמויי חרוט דיראק תלולים מאוד המדינה משטח דו מימדי16. התוצאות ARPES אשר באיכות גבוהה של פני השטח cleaved ואת הכיוון הדגימה. מן המידע אנרגיה ותנע של המפה הלהקה, המיפוי משטח פרמי, ניתן לבחור עכשיו הזווית פליטה ספציפיים לניסוי SARPES.

איור 8 (א) מייצג. את עקומות התפוצה אנרגיה (והריון) עבור שונים מגנוט בכיוון (+My ו-My) שצולמו (θ באמצעותx, θ באמצעותy) = (-6 °, 0 °) על פני -kF של הלהקה משטח, התואם החתך לאורך הקו המקווקו באיור איור 7. מן הנתונים, ניתן להשיג את והריון נפתרה-ספין במקורות הבאים. בהתחלה, ההערכה של קיטוב ספין (Py) היא באמצעות יחס זה:

Equation 1

כאשר α הוא הציר נפתרה (x, y ו- z), ו אני+M α (אני–M α) הוא עוצמת photoelectron +M α (-M α), ו S eff היא פונקציית שרמן אשר בדרך כלל 0.311. שהושג Py עקומה מוצג באיור 8 (b). ספקטרום נפתרה-ספין עבור ספין-up (Equation 2), ספין-מטה (Equation 3) ואז מתקבלים על ידי:

Equation 4

וכתוצאה מכך ספין-נפתרה ספקטרה מוצגות באיור איור 8(ג).

גלאי טווח VLEED כפול מאפשרים לנו לקבל תלת-ממד ברזולוציה ספין לאורך צירי x, y ו- z . הוכח ב איור 9(א) היכן ספקטרום ספין-נפתרה על-ידי שימוש p-קיטוב הקמה של המקביל הספין-קיטוב (Px, Py ו- Pz)? המוצג. הפסגה ברורה ליד אנרגיית פרמי מוקצה המדינה משטח של Bi2Se3. הנתונים מייצג כי Py הוא ספין-מקוטב באופן מלא ~ 100% ואילו הרכיבים האחרים, Px ו- Pz, החזרה קטן. 3D ספין-נפתרה ספקטרה ובכך להמחיש את הציר קוונטית ספין של המדינה משטח קבוע לאורך y, אשר עולה בקנה אחד עם הלהקה חישובים16,17,18.

לאחר מכן, אנו מתמקדים עירור סלקטיבי מסלולית של p- ו s-לייזר מקוטב. באופן כללי, תחת חזקה ספין-אורביט מצמד, סימטריה מסלולית השונים מעורבב עם מול spinor17,eigenfunction יחיד18. ב גאומטריה ניסיוני שלנו, p-קוטביות (s-מקוטב) אור הוא רגיש px ו- pz (py) רכיבים מסלולית הספין-המסלול משולב פונקציית גל (שיבוץ ב- איור 9). ובכך, דרך צימוד ספין-מסלולית, לייזר סלקטיבי-מסלולית-SARPES אמור לזהות ספין הפוך-קיטוב עבור p- ו s-קיטוב. אכן, הוכח איור 9(א) , 9 (ב). אנו מבחינים בבירור קיטוב האור משמעותי התלות של Py ישירות להצגת האפקט צימוד ספין-מסלול17,משטח המדינה18.

בנוסף, לייזר-SARPES מאפשרת להמשיך לחקור את האבולוציה קיטוב לינארי של Px, Py ו- Pz אפילו עם קיטוב האור האחורי בין p- ו s-polarizations 19. כפי שמוצג באיור 10(א), לייזר-SARPES עם זיהוי סיבוב תלת-ממדי מציג Px, Py ו- Pz 0.025 eV של איגוד האנרגיה כפונקציה של לינארית-polarizations. כאן, התוצאה מכיל 102 נקודות נתונים, אשר נרכשה תוך 6 שעות. התלות קיטוב של Py בקלות מוסבר למעשה, חיוביות ושליליות Py של photoelectrons מתרגשת על ידי p- ו s-רכיבים של הלייזר יישומית נהרסים. אולם, זה לא יכול להסביר את האבולוציה של Px ו- Pz. לתיאור לגמרי תוצאה זו, יש צורך לשקול ספין בתהליך photoemission כפי שסוכם איור 10(b). אם קיטוב לינארי מרגש בו זמנית הברית ספין-למעלה ולמטה ספין, אלה שני קוונטי-ספין הבסיסים הם באופן עקבי ומאוחד פסיפסים זו על זו במצב photoelectron, וכתוצאה מכך הסיבוב ספין. למעשה, התלות קיטוב המוצג טוב שוחזרו על ידי חישוב דגם עם שיקול של הפרעה קוהרנטי בין ספין-למעלה ולמטה ספין-מתרגש על ידי p- ו s-polarizations19. האפקט דומה ספין לחלופין נצפתה על ידי תלת-ממד SARPES עם קרינה סינכרוטרון20,21.

Figure 1
איור 1: הסכימטי של מערכות זיהוי של לייזר-SARPES. שני VLEED ספין-גלאי מסודרים עם גאומטריה אורתוגונלית מחוברים במנתח המיספרי photoelectron. איור זה שונה מ- Yaji, ק. ואח. 11. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: צילומי מסך של מנתח לשלוט בתוכנה. צעדים i.2-1 i.2-3 להראות איך להתחיל לבחירת מצב זיהוי (ARPES או SARPES), לקיחת נתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: צילומי מסך של הפקד לוח לבחירת מצב זיהוי. צעדים i.3-1 i.3-4 מראים כיצד להתחיל במיפוי משטח פרמי. אם לחצן ערוך נלחץ (שלב i.3-3), לוח החדש יופיע כדי להגדיר את המאפיינים של המיפוי (שלב i.3-4).

Figure 4
איור 4: צילומי מסך של הפקד לוח לבחירת מצב זיהוי. צעדים i.4-1 i.4-3 מראים כיצד להפעיל מצב SARPES. אם האזור של הטווח הנבחר (שלב i.4-1) והחלק התחתון אישור נלחץ (שלב i.4-3), החלונית ' ' תיסגר, הגדרת כל מנתח יהפוך להיות מצב SARPES.

Figure 5
איור 5: צילומי מסך של אלקטרון מטה הטיה-לוח הבקרה- צעדים i.5-1 i.5-3 מראים כיצד לשלוט על ההסטה photoelectron. אם פקד האזור תטא. נלחץ (שלב i.5-2), לוח החדש יופיע כדי להגדיר את מאפייני מטה הטיה photoelectron (שלב i.5-3). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: צילומי מסך של הלוחות עבור השדה המגנטי של הספין מטרות, קיטוב האור. מאפיינים אלה נשלטים על ידי שורות פקודה במערכת שלנו. (א) בפקודה כדי לשלוט השדה המגנטי עבור מטרות ספין: "spin_coil.exe + X" מקבילה "על שם של קובץ היישום", "הכיוון של השדה, + או -" ו "ציר x, y או z". (ב) הפקודה כדי לשלוט על קיטוב האור: "wave_plate.exe 180" מקבילה "על שם של קובץ היישום" ואת "זווית /2-waveplate λ".

Figure 7
איור 7: מיפוי משטח פרמי ומיפוי של להקת ה-k של Bi2Se3 משטח המדינה על-ידי שימוש ARPES. קו מפריד מציין מיקום k שהקדשת נפתרה-ספין ספקטרה שמוצג באיור 8 ו- 9 איור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8: ספין - ואת זווית-נפתרה לפני השטח הלהקה ספקטרום של Bi2Se3. (א) אנרגיה הפצה עקומות (והריון) נמדד עבור כיוונים שונים מגנוט +My ו-My בזווית קבועה פליטה התואם החתך קו מקווקו איור7. (ב) ספין polarizations כפונקציה של איגוד האנרגיה המתקבלת מניתוח ספין-נפתרה. (ג) והריון וכתוצאה מכך ספין-up (משולשים אדומים) ולערוצים ספין-מטה (כחול משולשים). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 9
איור 9: p- ו - s-קיטוב התלות של ספין photoelectron ממצב של פני השטח של Bi2Se3. (א) ו- (ב) 3D ספקטרה נפתרה-ספיןx, y ו- z צירים של המקביל ספין polarizations (Px, Py ו- Pz) כפונקציה של איגוד האנרגיה המתקבלת על ידי p- s -polarizations בזווית קבועה פליטה התואם החתך קו מקווקו איור7. בתצורות כניסה, ניסיוני עבור p- ו s-polarizations מוצגים. איור זה השתנה מ ק קארודה ואח. 19. p- (s-) קיטוב מרגש באופן סלקטיבי px ו- pz (py) כמו פונקציית גל מסלולית. Px ו- pz (py) הברית הם מצמידים + ספיןy (ספיןy −) של הספין-מסלולית בשילוב משטח המדינה16,17. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 10
איור 10: ספין תלת מימד קיטוב אפקט המושרה על ידי אור מקוטב לינארית. (א) החלקות של Px,y,z של Bi2Se3 משטח המדינה ביחס של מקוטב לינארית לייזר. ב שיבוץ, מוצג שדה חשמלי יישומית של הלייזר מוקרנת המטוס x-z . נקודות הנתונים הכוללת נלקחו תוך 6 שעות. דמות זו שונתה מ קארודה, ק' ואח. 19. (b) דמיינו סיבוב סיבוב תלת-ממד בשל ההפרעות של ספין ספין-up וספין-למטה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ARPES טכניקות SARPES היו בשימוש נפוץ ללמוד פסים מבנים באמצעות מיפוי הלהקה לזיהוי ספין1,2. בנוסף ליתרונות הכלליים האלה המוצג לעיל, לייזר-SARPES מבוסס על כלל בחירה ההקפה בתוך עירור דיפול אופטי יכול להיות מועסק טכניקה הרומן להמחשת השפעת צימוד ספין-מסלולית ב ההפרעות ספין פונקציית גל ו קוונטית . כפי שמתואר באיור 9 ו- 10, ניתן לטפל בקלות קיטוב של לייזר על-ידי waveplates כדי מוטה polarizations ליניארי בין p- ו s-polarizations19. בעקרון, אור מקוטב עגולים ואליפטיים אפילו ניתן להיות מושגת, בשימוש בלייזר-SAPRES. מגוון זה של קיטוב tunable מתקבל בקושי למקור אור קונבנציונלי כגון מנורת נובל-גז-פריקה, סינכרוטרון והקרנות. לכן, שילוב של לייזר משתנה-קיטוב SARPES עם תלת-ממד ברזולוציה ספין מגדיל באופן דרמטי יכולת בטכניקת photoemission.

כדי לבצע לייזר-SARPES בתנאים הטובים ביותר, יש להקפיד תמיד על שטח-אחראי אפקט12, אשר בדרך כלל מרחיבה את האנרגיה של photoelectrons עקב דחיה הקולומבית במנת צפיפות האלקטרונים הנפלטים על ידי הלייזר בעוצמה גבוהה. אם בעיה זו מופיעה, צריך לייעל את עוצמת הלייזר 7-eV (שלב 4.3). שנית, אם עוצמת photoelectron מדגימות המסכן, הכניסה מנתח לשסף, הפתח צריך להיות פתוח (שלב 6.1), עם זאת, הפתרון אנרגיה מוקרבת במקרה זה. לכן, צריך לבחור בקפידה את הסידור ניסיוני כדי להתאים ניסויים לייזר-SARPES.

החיסרון העיקרי של לייזר-SARPES לעומת הטכניקה photoemission סטנדרטי עם קרינה סינכרוטרון הוא בלייזר-SAPRES פוטון אנרגיית לייזר הוא בדרך כלל לא tunable. בטכניקה photoemission, הפוטון tunable יש צורך לחקור את פיזור kz מזהה מבנים הלהקה גורפת 3D ומשטח דו מימדי קובע1. יתר על כן, אנרגית הפוטון eV 7 בשימוש הנייר הזה יכול לסרוק שטח קטן k לעומת זאת עם אנרגיה גבוהה פוטון. לכן, לייזר-SARPES הוא מוגבל ככל הנראה לתוך החקירות של הברית משטח דו מימדי סביב מרכז אזור ברילואן.

עם זאת, יצוין כי הכוח של טכניקת לייזר-SARPES יכול להיות מיושם באופן נרחב עבור מצבי ספין-מסלול משולב. לאחרונה, באמצעות הפרוטוקול המתואר בתוך הנייר הזה, בהמשך נחשפו אפקט צימוד ספין חזק-אורביט, שלה משמעותית k-תלות ב- Bi סרט דק22 ו- BiAg2/Ag(111) סגסוגת משטח23. גם, זה ראוי לציין כי טכניקת SARPES יעילות גבוהה רק מתחיל לפתח, הופך בהדרגה שיטה ניסיונית סטנדרטי. הפרוטוקול נועד לסייע לחוקרים להשתמש SARPES ולהבין את הנתונים המיוצר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי יש להם אינטרסים כלכליים אין מתחרים.

Acknowledgments

אנו מודים פוקושימה א מ נאקיאמה, ס' Toyohisa, ותומך י' אישידה עבור לשלב המלכודת ניסיוני. אנו להכיר בהכרת תודה מימון מן JSPS Grantin-סיוע עבור מדעי למחקר (B) דרך פרויקט מס 26287061, עבור צעירים מדענים (B) דרך פרויקט מס 15K 17675. עבודה זו גם נתמך על ידי MEXT של יפן (אזור חדשני "טופולוגי הנדסת חומרים," מענק מס 16 H 00979) ו- JSPS KAKENHI (מענק מס 16 ח 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

הנדסה גיליון 136 פיזיקה של מצב מוצק מבנה פסים של מוצקים צימוד ספין-אורביט קיטוב ספין הברית משטח photoemission ספין-גלאי לייזר
שיטות נסיוניות עבור ספין - ואת זווית-נפתרה ספקטרוסקופיה Photoemission בשילוב עם לייזר משתנה-קיטוב
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kuroda, K., Yaji, K., Harasawa, A.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter