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Engineering

स्पिन के लिए प्रायोगिक तरीके-और कोण-हल Photoemission स्पेक्ट्रोस्कोपी ध्रुवीकरण के साथ संयुक्त-चर लेजर

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

यहां, हम ध्रुवीकरण-चर 7 गठबंधन-स्पिन के साथ eV लेजर और कोण हल photoemission तकनीक ठोस राज्यों में स्पिन कक्षीय युग्मन प्रभाव कल्पना करने के लिए ।

Abstract

इस प्रोटोकॉल का लक्ष्य है कैसे करने के लिए वर्तमान स्पिन और कोण हल photoemission स्पेक्ट्रोस्कोपी ध्रुवीकरण के साथ संयुक्त-चर 7-eV लेजर (लेजर सर्प), और ठोस राज्य भौतिकी का अध्ययन करने के लिए इस तकनीक का एक शक्ति का प्रदर्शन । लेजर-सर्प दो महान क्षमताओं को प्राप्त है । सबसे पहले, रैखिक ध्रुवीय पराबैंगनीकिरण के कक्षीय चयन नियम का परीक्षण करके, कक्षीय चयनात्मक उत्तेजना SAPRES प्रयोग में किया जा सकता है । दूसरे, तकनीक प्रकाश ध्रुवीकरण के एक समारोह के रूप में स्पिन क्वांटम धुरी की एक भिंनता की पूरी जानकारी दिखा सकते हैं । लेजर सर्प में इन क्षमताओं के सहयोग की शक्ति का प्रदर्शन करने के लिए, हम स्पिन की जांच के लिए इस तकनीक को लागू-कक्षा युग्मित द्वि2एसई3की सतह राज्यों । इस तकनीक को स्पिन-ऑर्बिट wavefunctions युग्म से स्पिन और कक्षीय घटकों को विघटित करने के लिए affords । इसके अलावा, प्रत्यक्ष स्पिन का पता लगाने का उपयोग कर के एक प्रतिनिधि लाभ के रूप में ध्रुवीकरण-चर लेजर के साथ सहयोग किया, तकनीक स्पष्ट रूप से तीन आयाम में स्पिन क्वांटम धुरी के प्रकाश ध्रुवीकरण निर्भरता visualizes । लेजर-सर्प नाटकीय रूप से photoemission तकनीक की क्षमता बढ़ जाती है ।

Introduction

कोण हल photoemission स्पेक्ट्रोस्कोपी (ARPES) तकनीक एक सबसे शक्तिशाली उपकरण में विकसित किया गया है ठोस राज्यों में quasiparticle बैंड संरचनाओं की जांच1। ARPES के आकर्षक सुविधा का सबसे बैंड मानचित्रण के लिए क्षमता को ऊर्जा और गति अंतरिक्ष में इलेक्ट्रॉनिक राज्यों की विशेषताएं है । स्पिन-हल ARPES (सर्प), जो यहां है स्पिन डिटेक्टरों से सुसज्जित है, उदा। Mott2डिटेक्टर,3, आगे हमें मनाया बैंड संरचनाओं4के स्पिन चरित्र को हल करने के लिए सक्षम बनाता है । चूंकि Mott डिटेक्टर दो अक्षों (एक्स और जेड, या y और जेड) के साथ स्पिन को मापने कर सकते हैं, दो Mott डिटेक्टरों के संयोजन आगे एक तीन आयाम4,5 में स्पिन अभिविंयास प्राप्त करने के लिए अनुमति देता है . कई दशकों के लिए, तथापि, सर्प प्रयोगों उनके कम दक्षता से ग्रस्त थे (आमतौर पर 1/10000 की तुलना में है कि स्पिन के लिए एकीकृत ARPES माप)3,4,5,6 ,7, जो ऊर्जा और कोणीय-संकल्प सीमित था । हाल ही में, सर्प की ऊर्जा संकल्प एक उच्च कुशल स्पिन डिटेक्टर के साथ वृद्धि की गई है एक्सचेंज कैटरिंग के आधार पर, तथाकथित बहुत कम ऊर्जा इलेक्ट्रॉन-विवर्तन (VLEED) डिटेक्टर7,8,9 ,10. इस डिटेक्टर के साथ, डेटा की गुणवत्ता में काफी सुधार किया गया है और डेटा अधिग्रहण समय छोटा कर दिया गया है । हाल ही में, सर्प बहुत स्पिन का पता करने के लिए सफल रहा है-ध्रुवीकरण इलेक्ट्रॉनिक राज्यों और विशेष रूप से स्पिन कक्षा युग्मन प्रभाव सतह बैंड7की स्पिन बनावट में जिसके परिणामस्वरूप ।

यहां, हम एक ध्रुवीकरण चर वैक्यूम पराबैंगनी लेजर प्रकाश (लेजर सर्प) के साथ सर्प माप रोजगार और इस संयुक्त तकनीक के महान लाभ का प्रदर्शन । द्वि2Se3में स्पिन की कक्षा युग्मित सतह राज्यों पर जांच के माध्यम से, हम लेजर-सर्पों की दो क्षमताओं को पेश करते हैं । सबसे पहले, द्विध्रुवीय संक्रमण शासन में रैखिक ध्रुवीय पराबैंगनीकिरण के कक्षीय चयन नियम के कारण, पीऔर एस-ध्रुवीय रोशनी चुनिंदा अलग कक्षीय समरूपता के साथ eigen-wavefunctions का एक हिस्सा उत्तेजित । इस तरह के एक कक्षीय चयनात्मक उत्तेजना जिससे सर्प, अर्थात्, कक्षीय-चुनिंदा सर्पों में उपलब्ध है । दूसरे, सर्पों में तीन आयामी (3d) स्पिन का पता लगाने के स्पिन क्वांटम धुरी की दिशा से पता चलता है और सीधे प्रकाश ध्रुवीकरण निर्भरता की पूरी जानकारी प्रदर्शित करता है । इस प्रोटोकॉल में, हम संक्षेप में एक पद्धति का वर्णन करने के लिए इस राज्य के अत्याधुनिक लेजर-सर्प तकनीक मजबूत स्पिन कक्षा युग्मन प्रभाव का अध्ययन करने के लिए ।

हमारे लेजर सर्प प्रणाली ठोस राज्य भौतिकी के लिए संस्थान में स्थित है,11टोक्यो विश्वविद्यालय । हमारे लेजर के योजनाबद्ध ड्राइंग-SAPRES मशीन चित्रा 1में दिखाया गया है । ध्रुवीकरण-चर 7-eV लेजर प्रकाश12 नमूना सतह रोशन और photoelectrons नमूना से उत्सर्जित कर रहे हैं । लेजर का ध्रुवीकरण स्वचालित रूप से MgF द्वारा नियंत्रित किया जाता है2-आधारित λ/2-और λ/4-waveplates चुनिंदा रेखीय और परिपत्र ध्रुवीकरण का उपयोग करने के लिए । एक अर्धगोल इलेक्ट्रॉन विश्लेषक photoelectrons को सही करता है, और उनके काइनेटिक ऊर्जा (ईपरिजनों) और उत्सर्जन कोण (θएक्स और θवाई) का विश्लेषण करती है । photoelectron तीव्रता ईपरिजनपर मैप कर रहे हैं-θएक्स स्क्रीन एक सीसीडी कैमरे द्वारा निगरानी की । यह छवि सीधे पारस्परिक अंतरिक्ष में ऊर्जा बैंड संरचना में तब्दील हो गई है ।

सर्प मापन के लिए, एक विशिष्ट उत्सर्जन कोण और काइनेटिक ऊर्जा के साथ photoelectrons इलेक्ट्रॉन विश्लेषक द्वारा विश्लेषण के लिए एक ९० डिग्री photoelectron झुकानेवाला और photoelectron मुस्कराते हुए दो पर ध्यान केंद्रित कर रहे है के साथ दो VLEED प्रकार के स्पिन डिटेक्टरों के लिए निर्देशित कर रहे है Fe के विभिंन लक्ष्यों (001)-p(1 × 1) फिल्मों ऑक्सीजन द्वारा समाप्त हो गया । लक्ष्य द्वारा प्रतिबिंबित photoelectrons प्रत्येक स्पिन डिटेक्टर में रखा एक channeltron का उपयोग करके एक चैनल का पता लगाने में पाया जाता है । VLEED लक्ष्य Helmholtz-प्रकार बिजली का तार जो एक दूसरे के संबंध में ओर्थोगोनल ज्यामिति के साथ व्यवस्था कर रहे है के साथ चुंबकीय जा सकता है । आकर्षण संस्कार दिशा द्विध्रुवी संघनित्र बैंक द्वारा नियंत्रित है । डबल VLEED स्पिन डिटेक्टरों जिससे हमें स्पिन-ध्रुवीकरण photoelectron के तीन आयामों में सदिश का विश्लेषण करने के लिए सक्षम करें ।

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Protocol

1. नमूना माउंट और स्थापना

  1. 1 × 1 × ०.५ मिमी3 के एक अनुमानित आकार में द्वि2एसई313 के एकल क्रिस्टल के नमूनों में कटौती और उपयोग अभिजात्य आधारित epoxy नमूना धारक के लिए नमूना गोंद करने के लिए ।
  2. नमूना सतह पर स्कॉच टेप पेस्ट करें ।
    नोट: स्कॉच टेप एक परमाणु साफ सतह प्राप्त करने के लिए ultrahigh वैक्यूम (UHV) चैंबर में नमूना सट करने के लिए प्रयोग किया जाता है ।
  3. नमूना पत्रिका में लोड लॉक में नमूना स्थापित करें, और पंप शुरू जब तक लोड ताला के दबाव से कम है 1 × 10-5 Pa.

2. सैंपल सट

  1. लोड लॉक और UHV तैयारी चैंबर के बीच UHV वाल्व खोलें ।
  2. लोड रॉक से नमूना पत्रिका के लिए ले जाएं रैखिक/रोटरी feedthrough जो लोड ताला कक्ष से जुड़ा है का उपयोग करके तैयारी चैंबर ।
  3. नमूना पत्रिका से नमूना तैयारी चैंबर से जुड़ी छड़ी द्वारा उठाओ ।
  4. वापस लोड ताला में नमूना पत्रिका रखो और UHV वाल्व बंद करो ।
  5. तैयारी चैंबर के दबाव में जब तक रुको 5 × 10-7 फिलीस्तीनी अथॉरिटी से नीचे है ।
  6. तैयारी चैंबर में लड़खड़ा छड़ी का उपयोग करके स्कॉच टेप छील और UHV हालत के तहत नमूना सट ।

3. माप की स्थिति के लिए नमूना स्थानांतरण

  1. नमूना UHV मापन कक्ष के लिए स्थानांतरण, और माप कक्ष से सुसज्जित पेंच ड्राइवर द्वारा मुख्य gonio-चरण के लिए नमूने को ठीक.
  2. माप की स्थिति के लिए gonio-चरण ले जाएँ और ठीक स्पेक्ट्रोमीटर के फोकस पर नमूना स्थिति ले जाने के लिए माइक्रोमीटर चरण का उपयोग करें ।

4.7eV-लेजर सेटअप

  1. Nd: YVO4 लेज़र चालू करें ।
    नोट: लेजर १२० मेगाहर्ट्ज की एक उच्च पुनरावृत्ति दर के साथ ३५५ एनएम लेजर प्रकाश उत्पंन करता है ।
  2. लेजर बीम शटर खोलें, और सुनिश्चित करें कि लेजर KBBF क्रिस्टल के माध्यम से गुजरता है और १७७ एनएम (६.९९४ eV) के एक दूसरे हार्मोनिक तरंग उत्पन्न होता है ।
  3. चर क्षीणन के साथ ३५५-एनएम लेजर की शक्ति को बदलकर 7eV-लेजर की शक्ति का अनुकूलन ।

5. ARPES डेटा अर्जन

  1. डेस्कटॉप कंप्यूटर पर विश्लेषक नियंत्रण सॉफ़्टवेयर खोलें ।
    नोट: हम का उपयोग करें "सत्र सॉफ्टवेयर" जो एक इलेक्ट्रॉन झुकानेवाला के साथ ScientaOmicron विश्लेषक को नियंत्रित करने के लिए एक सामांय कार्यक्रम है ।
  2. मेनू पट्टी (आकृति 2, चरण i .2-1) पर अनुक्रम के नीचे सेटअप.. ।
  3. चुनें ARPES विंयास (चित्रा 3, चरण मैं 3-1) और सूची में ARPES मानचित्रण (चित्रा 3, चरण मैं 3-2) photoelectron झुकानेवाला के साथ फर्मी सतह मानचित्रण प्रदर्शन करने के लिए ।
  4. संपादित करें (चित्रा 3, चरण मैं 3-3) और फर्मी सतह मानचित्रण कॉंफ़िगर से लेकर-12 ° से 12 ° एक उत्सर्जन कोण θy के चरण आकार के साथ ०.५ ° (3 चित्रा, मैं कदम .3-4) ।
    नोट: एक इलेक्ट्रॉन झुकानेवाला के साथ अर्धगोल विश्लेषक हमें सक्षम बनाता है नमूना घुमाव के बिना फर्मी सतह को मैप करने के लिए ।
  5. चलाएँ क्लिक करें (चित्रा 2, स्टेप आइ .2-3).

6. सर्प डेटा अधिग्रहण

  1. मैन्युअल रूप से मशीन सेट-विश्लेषक प्रवेश भट्ठा और एपर्चर आकार (चित्रा 1) सहित सर्प माप के लिए बदल जाते हैं.
  2. मेनू पट्टी (आकृति 2, चरण i .2-2) पर अनुक्रम के नीचे सेटअप.. ।
  3. चुनें स्पिन विंयास (4 चित्रा, चरण मैं 4-1) और सूची में सामांय (चित्रा 4, चरण मैं 4-2), और क्लिक करें ठीक है (4 चित्रा, कदम मैं 4-3) ।
  4. चुनें DA30 (चित्रा 5, चरण मैं 5-1) मेनू पट्टी और नियंत्रण थीटापर... (चित्रा 5, स्टेप i .5-2) DA30 कोण (θx, θy) विन्यास के लिए सेटिंग पैनल खोलने के लिए.
  5. के उत्सर्जन कोण चुनें (θx, θy) = (-6 °, 0 °) सर्पों स्पेक्ट्रा लेने के लिए (चित्रा 5, चरण i .5-3).
  6. विशेष अक्ष (α: x, y, या z) के साथ सकारात्मक दिशा में VLEED लक्ष्य आकृष्ट करने के लिए द्विध्रुवी संघनित्र बैंक को नियंत्रित करने के द्वारा चुंबकीय क्षेत्र लागू होते हैं ।
    नोट: हमारे सिस्टम में, इस प्रक्रिया को कमांड प्रॉंप्ट के माध्यम से किया जा सकता है [चित्रा 6 (a)] ।
  7. तीव्रता स्पेक्ट्रम लेने के लिए भागो क्लिक करें (चित्रा 2, 2 कदम-3) ।
  8. α साथ नकारात्मक दिशा में VLEED लक्ष्य आकृष्ट और तीव्रता स्पेक्ट्रम लेने के लिए स्कैन शुरू करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र लागू होते हैं ।
  9. स्पिन ध्रुवीकरण और स्पिन-हल स्पेक्ट्रा की गणना.

7. स्कैनिंग प्रकाश ध्रुवीकरण निर्भरता

  1. λ का कोण बदलें/2-waveplate ठीक 7 eV-लेजर के प्रकाश ध्रुवीकरण धुन करने के लिए कदम मोटर द्वारा नियंत्रित ।
    नोट: हमारे सिस्टम में, इस प्रक्रिया कमांड प्रॉंप्ट के माध्यम से किया जा सकता है [चित्रा 6 (ख)] ।
  2. x, y और z अक्षों के लिए स्पिन-हल स्पेक्ट्रा ले लो ।
  3. स्कैन स्पिन-3 ° के चरण आकार के साथ 0 ° से १०२ ° से आधा waveplate कोण बदलती के साथ प्रकाश ध्रुवीकरण के एक समारोह के रूप में स्पेक्ट्रा हल ।

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Representative Results

सर्प प्रयोगों शुरू करने से पहले, कश्मीर पदों के लिए सही उच्च आंकड़ा स्पिन का उपयोग करके स्पिन हल स्पेक्ट्रम लेने के लिए निर्धारित होने की जरूरत है-हाई एनर्जी के साथ एकीकृत ARPES परिणाम-और कोणीय संकल्प (प्रोटोकॉल 5.1-5.5) । यह आंकड़ा 7 में प्रदर्शित किया जाता है जहां एक द्वि2एसई3 एकल क्रिस्टल के लिए ARPES परिणाम प्रस्तुत कर रहे हैं । इस सामग्री को एक स्पिन-ध्रुवीय सतह राज्यों14,15के साथ एक prototypical टोपोलॉजिकल इंसुलेटर के रूप में जाना जाता है । ARPES बैंड नक्शा स्पष्ट रूप से बहुत खड़ी Dirac-शंकु की तरह ऊर्जा फैलाव का निराकरण दो आयामी सतह राज्य16। ARPES परिणाम सट सतह और नमूना अभिविन्यास की उच्च गुणवत्ता की पुष्टि करते हैं. ऊर्जा और बैंड नक्शा और फर्मी सतह मानचित्रण की गति की जानकारी से, एक अब सर्प प्रयोग के लिए विशिष्ट उत्सर्जन कोण चुन सकते हैं ।

चित्र 8 (a) विभिंन आकर्षण संस्कार दिशा (+एमवाई औरएमवाई) के लिए ऊर्जा वितरण curves (EDCs) का प्रतिनिधित्व करता है (θx, θy) = (-6 °, 0 °) के पार-kF में लिया गया सतह बैंड, धराशायी चित्र 7में दिखाया लाइन के साथ कटौती करने के लिए इसी । डेटा से, स्पिन-हल EDCs निम्नलिखित में प्राप्त किया जा सकता है । सबसे पहले, स्पिन ध्रुवीकरण (पीवाई) इस संबंध का उपयोग करके अनुमान लगाया गया है:

Equation 1

जहां α हल अक्ष (x, y और z) है, और i+m α (आई-एम α) +m α (-एम α) के लिए photoelectron तीव्रता है, और एस eff शर्मन समारोह है जो आम तौर पर ०.३11है । प्राप्त Py वक्र चित्रा 8 (b)में दिखाया गया है । स्पिन-हल स्पेक्ट्रा के लिए स्पिन अप (Equation 2) और स्पिन-डाउन (Equation 3) तो द्वारा प्राप्त कर रहे हैं:

Equation 4

जिसके परिणामस्वरूप स्पिन-हल स्पेक्ट्रा चित्रा 8(सी)में दिखाए जाते हैं ।

डबल VLEED स्पिन डिटेक्टरों हमें एक्स, वाई और जेड अक्षों के साथ 3 डी स्पिन-संकल्प प्राप्त करने की अनुमति । यह चित्र 9(ए) जहां स्पिन- पीध्रुवीकरण सेट अप और इसी स्पिन-ध्रुवीकरण (पीएक्स, पीवाई और पीजेड) का उपयोग करके स्पेक्ट्रा हल कर रहे है में प्रदर्शन किया है दिखाया. फर्मी ऊर्जा के पास स्पष्ट चोटी द्वि2एसई3की सतह राज्य को सौंपा गया है । डेटा का प्रतिनिधित्व करता है कि पीवाई पूरी तरह से स्पिन है-ध्रुवीकरण ~ १००% जबकि अंय घटकों, पीएक्स और पीजेड, negligibly छोटे हैं । 3d स्पिन-स्पेक्ट्रा हल इस प्रकार y, जो बैंड गणना16,17,18के साथ संगत है के साथ तय की सतह राज्य के स्पिन क्वांटम धुरी वर्णन ।

फिर, हम पीके कक्षीय चयनात्मक उत्तेजना पर ध्यान केंद्रित-और एस-ध्रुवीय लेजर । सामांय में, मजबूत स्पिन कक्षा युग्मन, अलग कक्षीय समरूपता के तहत एक एकल eigenfunction17,18में विपरीत स्पिनर के साथ मिलाया जाता है । हमारे प्रयोगात्मक ज्यामिति में, पी-ध्रुवीकरण (एस-ध्रुवीकरण) प्रकाश पीएक्स और पीजेड के प्रति संवेदनशील है (पीवाई) स्पिन में कक्षीय घटकों-कक्षा युग्मित wavefunction (इनसेट में चित्र 9) । इस प्रकार, स्पिन के माध्यम से कक्षीय युग्मन, कक्षीय-चयनात्मक लेजर-सर्प पीके लिए ध्रुवीकरण और एसध्रुवीकरण-विपरीत स्पिन का पता लगाने चाहिए । वास्तव में, यह चित्र 9(a) और 9 (b)में प्रदर्शित किया जाता है । हम स्पष्ट रूप से Py के महत्वपूर्ण प्रकाश ध्रुवीकरण निर्भरता सीधे की सतह17,18में स्पिन कक्षा युग्मन प्रभाव प्रदर्शित निरीक्षण ।

इसके अलावा, लेजर-सर्प और पी के बीच झुका प्रकाश ध्रुवीकरण के साथ भी पी एक्स, पी वाई और पीजेड के रैखिक ध्रुवीकरण विकास की जांच करने के लिए मुलाजिम और एसध्रुवों 19. के रूप में चित्र 10(क)में दिखाया गया है, 3 डी स्पिन का पता लगाने के साथ लेजर सर्प प्रदर्शित px, py और pz ०.०२५ के एक समारोह के रूप में बाध्यकारी ऊर्जा की eV में रैखिक-ध्रुवीकरण । यहां, परिणाम में १०२ डेटा अंक हैं, जो 6 एच के भीतर प्राप्त किया गया था । पीवाई के ध्रुवीकरण निर्भरता आसानी से एक तथ्य यह है कि सकारात्मक और नकारात्मक पी द्वारा उत्साहित photoelectrons के p -और s- लागू लेजर के घटकों को रद्द करके समझाया है । हालांकि, यह पीएक्स और पीजेडके विकास की व्याख्या नहीं कर सकते । पूरी तरह से इस परिणाम का वर्णन करने के लिए, यह photoemission में सुसंगत स्पिन प्रक्रिया पर विचार के रूप में चित्रा 10में संक्षेप(ख)आवश्यक है । यदि रैखिक ध्रुवीकरण एक साथ स्पिन अप और स्पिन-नीचे राज्यों उत्तेजित, इन दो क्वांटम-स्पिन कुर्सियां सुसंगत एक photoelectron राज्य में superposed हैं, स्पिन रोटेशन में जिसके परिणामस्वरूप । वास्तव में, प्रदर्शित ध्रुवीकरण निर्भरता अच्छी तरह से स्पिन अप और स्पिन के बीच सुसंगत हस्तक्षेप के एक विचार के साथ मॉडल गणना द्वारा reproduced है नीचे पीद्वारा उत्साहित और एस-ध्रुवीकरण19। इसी तरह की स्पिन प्रभाव सिंक्रोट्रॉन विकिरण20,21के साथ वैकल्पिक रूप से 3 डी सर्प द्वारा मनाया गया है ।

Figure 1
चित्र 1: लेजर-सर्पों का पता लगाने प्रणालियों के योजनाबद्ध ड्राइंग । दो VLEED स्पिन-डिटेक्टरों ओर्थोगोनल ज्यामिति के साथ व्यवस्था अर्धगोल photoelectron विश्लेषक से जुड़े हैं । यह आंकड़ा याजी, के. एट अलसे संशोधित किया गया है । 11. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: विश्लेषक नियंत्रण सॉफ्टवेयर के स्क्रीनशॉट । स्टेप्स i .2-1 to i .2-3 दिखाने के लिए कैसे पता लगाने मोड (ARPES या सर्प) का चयन और डेटा लेने के लिए शुरू करने के लिए । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: खोज मोड चुनने के लिए नियंत्रण कक्ष के स्क्रीनशॉट । चरण i .3-1 से i .3-4 दिखाने के लिए कैसे फर्मी सतह मानचित्रण शुरू करने के लिए । बटन संपादित करें (चरण i .3-3) दबाया जाता है, तो नए पैनल मानचित्रण के गुणों को परिभाषित करने के लिए पॉप जाएगा (चरण i .3-4).

Figure 4
चित्र 4: खोज-मोड चुनने के लिए नियंत्रण कक्ष के स्क्रीनशॉट । कदम मैं .4-1 से मैं 4-3 दिखाने के लिए कैसे सर्प मोड शुरू करने के लिए । यदि स्पिन के क्षेत्र (चरण i .4-1) का चयन किया जाता है और नीचे ठीक (चरण i .4-3) दबाया जाता है, पैनल बंद हो जाएगा और पूरे विश्लेषक सेटअप सर्पों मोड होने के लिए बंद हो जाएगा ।

Figure 5
चित्रा 5: इलेक्ट्रॉन झुकानेवाला नियंत्रण पैनल के स्क्रीनशॉट । स्टेप्स i .5-1 to i .5-3 शो कैसे photoelectron झुकानेवाला को नियंत्रित करने के लिए । यदि क्षेत्र नियंत्रण थीटा.. . दबाया जाता है (चरण i .5-2), नए पैनल पॉप अप करने के लिए photoelectron झुकानेवाला के गुणों को परिभाषित करेगा (चरण i .5-3) । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: स्पिन लक्ष्यों और प्रकाश ध्रुवीकरण के चुंबकीय क्षेत्र के लिए पैनलों के स्क्रीनशॉट । इन गुणों को हमारे सिस्टम में कमांड लाइंस द्वारा नियंत्रित किया जाता है । (a) स्पिन लक्ष्यों के लिए चुंबकीय क्षेत्र को नियंत्रित करने के लिए आदेश: "spin_coil. exe + X" "अनुप्रयोग फ़ाइल का नाम" से मेल खाती है, "फ़ील्ड की दिशा, + या-" और "अक्ष, X, y या z" । (ख) प्रकाश ध्रुवीकरण को नियंत्रित करने के लिए आदेश: "wave_plate. exe १८०" "अनुप्रयोग फ़ाइल का नाम" और " λ/2-waveplate का कोण" से मेल खाती है ।

Figure 7
चित्रा 7: ARPES का उपयोग करके फर्मी सतह मानचित्रण और ई-कश्मीर द्वि2एसई3 सतह राज्य के बैंड मानचित्रण । डैश लाइन चित्रा 8 और 9 चित्रामें दिखाया स्पिन-हल स्पेक्ट्रा लेने के लिए कश्मीर स्थिति को इंगित करता है. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 8
चित्र 8: द्वि2Se3के स्पिन-और कोण-हल सतह बैंड स्पेक्ट्रा । (a) ऊर्जा वितरण curves (EDCs) अलग आकर्षण संस्कार दिशाओं के लिए मापा +my और-my एक निश्चित उत्सर्जन कोण में डैश्ड रेखा कट के लिए संगत चित्रा 7। (ख) स्पिन-हल विश्लेषण से प्राप्त बाध्यकारी ऊर्जा के एक समारोह के रूप में स्पिन ध्रुवीकरण । (ग) स्पिन के लिए परिणामी EDCs अप (लाल त्रिकोण) और स्पिन नीचे (नीला त्रिकोण) चैनल । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 9
चित्रा 9: पीऔर एस-द्वि2एसई3की सतह राज्य से photoelectron स्पिन के ध्रुवीकरण निर्भरता । (a) और (b ) 3d स्पिन-x, y और z अक्षों के लिए हल स्पेक्ट्रा, और इसी स्पिन ध्रुवीकरण (पीएक्स, पीवाई और पी जेड) द्वारा प्राप्त बाध्यकारी ऊर्जा के एक समारोह के रूप में और एस - आंकड़ा 7में धराशायी लाइन कटौती करने के लिए इसी एक निश्चित उत्सर्जन कोण पर ध्रुवीकरण । इनसेट में पी-एण्ड एस-ध्रुवीकरण के लिए प्रायोगिक विन्यास दिखाए गए हैं । यह आंकड़ा कुरोडा K. एट अलसे संशोधित किया गया है । 19. पी-(एस-) ध्रुवीकरण चुनिंदा कक्षीय wavefunction की तरह पीएक्स और पीजेड (पीवाई) उत्तेजित । पीएक्स और पीजेड (पीवाई) राज्यों स्पिन-कक्षीय युग्मित सतह राज्य16,17में +y स्पिन (−y स्पिन) के लिए युग्मित कर रहे हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 10
चित्रा 10: रैखिक ध्रुवीय प्रकाश द्वारा प्रेरित तीन आयामी स्पिन ध्रुवीकरण प्रभाव. एक पीएक्स,वाई, के भूखंडों द्वि2एसई3 सतह राज्य के z लागू रैखिक ध्रुवीकरण के लिए संमान के साथ । इनसेट में एक्स-जेड विमान पर अनुमानित लेजर का एप्लाइड इलेक्ट्रिक फील्ड दिखाया गया है । कुल डाटा अंक 6 ज के भीतर लिया गया । यह आंकड़ा कुरोडा, के. एट अलसे संशोधित किया गया है । 19. (ख) visualized 3d स्पिन स्पिन के हस्तक्षेप के कारण रोटेशन अप और स्पिन नीचे स्पिन । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

ARPES और सर्प तकनीक सामांयतः बैंड मानचित्रण और स्पिन का पता लगाने1,2के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचनाओं का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है । ऊपर दिखाए गए इन सामान्य लाभों के अलावा, ऑप्टिकल द्विध्रुवीय उत्तेजना में कक्षीय चयन नियम पर आधारित लेजर सर्प wavefunction और क्वांटम स्पिन हस्तक्षेप में स्पिन कक्षीय युग्मन प्रभाव visualizing के लिए एक उपंयास तकनीक के रूप में नियोजित किया जा सकता . के रूप में चित्र 9 और 10में प्रदर्शन किया, लेजर के ध्रुवीकरण आसानी से बस waveplates से छेड़छाड़ कर सकते है के बीच झुका रैखिक ध्रुवीकरण के लिए पीऔर एस-ध्रुवीकरण19। सिद्धांत में, परिपत्र और यहां तक कि अंडाकार ध्रुवीकरण रोशनी प्राप्त किया जा सकता है और लेजर में इस्तेमाल किया-SAPRES । स्वरित्र ध्रुवीकरण की इस किस्म को शायद ही नोबल के रूप में पारंपरिक प्रकाश स्रोत में प्राप्त गैस-निर्वहन दीपक और सिंक्रोट्रॉन विकिरण है । इसलिए, ध्रुवीकरण का एक संयोजन-3 डी स्पिन के साथ चर लेजर और सर्प-संकल्प नाटकीय रूप से photoemission तकनीक की एक क्षमता बढ़ जाती है ।

सबसे अच्छी हालत के तहत लेजर-सर्प प्रदर्शन करने के लिए, एक हमेशा अंतरिक्ष प्रभारी प्रभाव के बारे में सावधान रहना चाहिए12, जो आम तौर पर उच्च तीव्रता लेजर द्वारा उत्सर्जित एक घने इलेक्ट्रॉन पैकेट में Coulomb प्रतिकारक के कारण photoelectrons की ऊर्जा को चौड़ा । यदि यह समस्या दिखाई देती है, तो एक की जरूरत 7-eV लेजर (४.३ कदम) की शक्ति का अनुकूलन । दूसरा, अगर नमूनों से photoelectron तीव्रता गरीब है, विश्लेषक प्रवेश भट्ठा, और एपर्चर खुला होना चाहिए (चरण ६.१), तथापि, ऊर्जा संकल्प इस मामले में बलिदान दिया है. इसलिए, एक ध्यान से प्रयोगात्मक सेट अप लेजर-सर्प प्रयोगों फिट करने के लिए चयन की जरूरत है ।

लेजर के मुख्य नुकसान सिंक्रोट्रॉन विकिरण के साथ मानक photoemission तकनीक की तुलना में सर्प है कि लेजर में लेजर-SAPRES फोटॉन ऊर्जा आम तौर पर स्वरित्र नहीं है । photoemission तकनीक में, स्वरित्र फोटॉन कश्मीरz फैलाव जांच करने के लिए आवश्यक है, और 3 डी थोक बैंड संरचनाओं और दो आयामी सतह राज्यों1की पहचान करता है । इसके अलावा, 7 eV के इस पेपर में इस्तेमाल की फोटॉन ऊर्जा उच्च फोटॉन ऊर्जा के साथ की तुलना में छोटे कश्मीर क्षेत्र को स्कैन कर सकते हैं । इसलिए, लेजर-सर्प Brillouin जोन केंद्र के आसपास दो आयामी सतह राज्यों की जांच में प्रतिबंधित है ।

हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि लेजर-सर्प तकनीक की शक्ति व्यापक रूप से स्पिन की कक्षा युग्मित राज्यों के लिए लागू किया जा सकता है । हाल ही में, इस पत्र के भीतर वर्णित प्रोटोकॉल का उपयोग करके, हम आगे मजबूत स्पिन की कक्षा युग्मन प्रभाव और उसकी महत्वपूर्ण कश्मीरद्वि तनु फिल्म22 में निर्भरता और BiAg2/Ag (111) सतह23मिश्र धातु से पता चला है । इसके अलावा, यह ध्यान देने योग्य बात है कि उच्च कुशल सर्प तकनीक सिर्फ विकसित करने के लिए शुरू कर रहा है लायक है और धीरे से एक मानक प्रयोगात्मक तकनीक बन जाता है । प्रोटोकॉल के लिए शोधकर्ताओं की मदद का इरादा है सर्प का उपयोग करें और उत्पादित डेटा को समझते हैं ।

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Disclosures

लेखकों की घोषणा है कि वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है ।

Acknowledgments

हम प्रयोगात्मक सेटअप करने के लिए समर्थन करता है के लिए एम नकायमा, एस Toyohisa, ए. Fukushima और वाई Ishida धंयवाद । हम कृतज्ञता JSPS Grantin-वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए सहायता से धन स्वीकार करते है (b) परियोजना no. २६२८७०६१ के माध्यम से और युवा वैज्ञानिकों के लिए (ख) परियोजना no. 15K17675 के माध्यम से । इस काम को जापान के MEXT (इनोवेटिव एरिया "टोपोलॉजिकल मटेरियल्स साइंस," ग्रांट नो 16H00979) और JSPS KAKENHI (ग्रांट नो. 16H02209) ने भी सपोर्ट किया था

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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स्पिन के लिए प्रायोगिक तरीके-और कोण-हल Photoemission स्पेक्ट्रोस्कोपी ध्रुवीकरण के साथ संयुक्त-चर लेजर
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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).

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