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偏波可変レーザーと組み合わせてスピン角度分解光電子分光の実験法

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

ここでは、固体状態におけるスピン軌道結合効果を視覚化するスピン角度分解光電子分光法による偏波可変 7 eV レーザーを組み合わせています。

Abstract

このプロトコルの目的は、スピン角度分解光電子分光偏光可変 7 eV レーザー (レーザー SARPES)、結合を実行する方法を示し、固体物理学の勉強法の力を発揮することです。レーザー SARPES は、2 つの偉大な機能を実現します。まず、直線偏光レーザの軌道選択ルールを調べれば、軌道選択的励起可能様々 SAPRES 実験。第二に、技術は、光の偏光の関数としてスピン量子軸の変化の完全な情報を表示できます。レーザー SARPES でこれらの機能のコラボレーションの力を示すためには、Bi2Se3スピン軌道結合表面状態の調査のためこのテクニックを適用されます。この手法を affords スピン軌道結合波動関数からスピン ・軌道部品を分解します。また、偏波可変レーザーと共同で直接スピンの検出を使用する代表的な利点、テクニックは明確に 3 つの次元のスピン量子軸の偏光依存性を視覚化します。SARPES レーザー光電子分光法の機能が大幅に増加します。

Introduction

角度分解光電子分光 (ARPES) 法は固体状態1の準粒子バンド構造を調査する最も強力なツールの 1 つに開発しました。角度分解光電子分光の魅力的な機能のほとんどは、エネルギーと運動量空間での電子の状態を特徴付けるバンド マッピングの機能です。スピン分解 ARPES (SARPES)、ここで例えばスピン検出器を装備。モット検出器2,3はさらに、観測バンド構造4スピン性を解決することが出来ます。さらに 2 つモット検出器の組み合わせにより 3 つのディメンション4,5 のスピンの向きを取得する 1 つ、モット検出器は、2 つの軸 (xとz、またはyおよびz) とスピンを測定できる、ので.数十年、ただし、SARPES 実験被害がなかった彼らの低効率 (通常 1/10000 スピン統合角度分解光電子分光測定の比較)3,4,5,6 、7エネルギーや角解像度に限られていた。いわゆる非常に低エネルギー電子線回折 (VLEED) 検出器7,8,9交換散乱に基づく高効率スピン検出器を用いた SARPES のエネルギー分解能を増加している最近、 ,10。この器、データの品質が大幅に改善されているし、データ収集時間が短縮されています。最近では、SARPES は、スピン偏極電子状態とスピンのテクスチャ表面バンド7の結果特にスピン軌道結合効果に対処するため大きくしました。

ここでは、SARPES を用いて偏波可変真空紫外測定レーザー光 (レーザー-SARPES)、この複合技術の大きな利点を発揮します。Bi2Se3スピン軌道結合表面状態の調査を通してレーザー SARPES の 2 つの機能を提案する.まず、 s p- 双極子遷移領域における直線偏光レーザの軌道選択ルールのため-偏光が軌道対称性の異なる波動関数の固有の部分を選択的にエキサイトします。そのような軌道選択的励起はそれにより SARPES、すなわち、軌道選択的 SARPES で利用可能です。第二に、SARPES で 3次元 (3 D) スピン検出はスピン量子軸の方向を示し、直接偏光依存性の完全な情報が表示されます。このプロトコルでは、簡単に強力なスピン軌道結合効果を研究するこの最新のレーザー SARPES テクニックを実行する方法をについて説明します。

11東京大学物性研究所でレーザー SARPES システムがあります。レーザー様々 SAPRES マシンの図は図 1に示します。偏波可変 7 eV レーザー光12はサンプル表面を照らすし、サンプルから光電子が放出されます。レーザーの偏光は、MgF2- 基づく λ/2 - と波長板 λ/4 直線および円偏波を選択的に使用するによって自動的に制御されます。半球電子アナライザーは、光電子を修正し、運動エネルギー (E親族)、放出角度 (θxとθy) を分析します。光電子強度はEキン- CCD カメラによって監視されているθx画面にマップされます。この画像は、逆格子空間におけるエネルギー バンド構造に直接変換されます。

SARPES 測定の具体的な排出角度と電子アナライザーを用いて運動エネルギー光電子が 90 度光電子デフ付け 2 VLEED 型スピン検出器に導かれているし、光電子ビームは、2 つに焦点を当てています。fe (001)p(1 × 1) 薄膜の酸素によって終了の異なるターゲット。ターゲットによって反映される光電子は、各スピン検出器は、channeltron を使用して、単一チャンネル検出で検出されます。VLEED ターゲットは、互いに対して直交するジオメトリと整理されるヘルムホルツ型電気コイル磁化することができます。磁化の向きは、バイポーラ コンデンサー銀行によって制御されます。ダブル VLEED スピン検出器により、私たちは 3 つの次元での光電子スピン分極ベクトルを分析します。

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Protocol

1. サンプル マウントとインストール

  1. 1 × 1 × 0.5 mm のおおよそのサイズに切断した Bi2Se313の単結晶試料試料ホルダーにサンプルを接着するエポキシをスライバー ベース3の使用。
  2. 試料表面にセロハン テープを貼り付けます。
    メモ: スコッチ テープは、超高真空 (UHV) アトミックきれいな表面を得るためにサンプルの切断に使用されます。
  3. 読み込みロックの雑誌のサンプルにサンプルをインストール、読み込みロックの圧力は 1 × 10-5 pa. より下までポンプを開始

2. サンプルの切断

  1. 読み込みロックと超高真空準備室の超高真空バルブを開きます。
  2. リニア/回転フィードスルー ロードロック室に接続されているを使用して、ロード岩からサンプル雑誌を準備室に移動します。
  3. 準備室に接続されている転送棒によって雑誌のサンプルからサンプルをピックアップします。
  4. サンプル誌に戻す負荷ロック、超高真空バルブを閉じます。
  5. 準備室の圧力が 5 × 10-7 pa. を下回るまで待つ
  6. 準備室で揺れのスティックを使用してセロハン テープをはがし、超高真空条件下で試料を切断します。

3. サンプル測定位置に転送

  1. 超高真空の測定室にサンプルを転送し、測定チャンバー搭載スクリュー ドライバーによってメイン ゴニオ ステージにサンプルを修正します。
  2. 測定位置にゴニオ ステージを移動し、正確に分光器の焦点にサンプル位置を移動するマイクロメータ ステージを使用します。

4. 7 eV レーザー セットアップ

  1. Nd:YVO4 レーザーをオンにします。
    注: レーザーは、120 MHz の高繰り返し率 355 nm のレーザー光を生成します。
  2. レーザー ビーム シャッターを開き、レーザーは通過、kbbf、177 の第 2 高調波を確認 nm (6.994 eV) が生成されます。
  3. 可変減衰器と 355 nm レーザーのパワーを変更することによって 7 eV レーザーのパワーを最適化します。

5. 角度分解光電子分光データ集録

  1. デスクトップ コンピューター上のアナライザー コントロール ソフトウェアを開きます。
    注: 我々 は電子デフ付け制御 ScientaOmicron アナライザーの一般的なプログラムである「SES ソフトウェア"を使用します。
  2. ... 以下のシーケンスメニューのセットアップを選択して (図 2、ステップ i.2 1) バー。
  3. 光電子デフ付けフェルミ面マッピングを実行する一覧 (図 3、ステップ i.3 2) の角度分解光電子分光構成(図 3、ステップ i.3 1) と角度分解光電子分光マッピングを選択します。
  4. (図 3、ステップ i.3 3) を編集をクリックし、-12 ° から 0.5 ° (図 3のステップ i.3-4) のステップ サイズの出射角θyの 12 ° までフェルミ面マッピングを構成します。
    注: 電子デフ付け半球アナライザーは、サンプル回転せずフェルミ面にマップすることが出来ます。
  5. (図 2i.2-3 の手順) を実行をクリックします。

6. SARPES データ集録

  1. SARPES 測定アナライザー入口スリットや絞りのサイズ (図 1) などの機械のセットアップを手動で変更します。
  2. ... 以下のシーケンスメニューのセットアップを選択して (図 2、ステップ i.2 2) バー。
  3. リスト (図 4、ステップ i.4 2)、(図 4、ステップ i.4 1)構成をスピンとノーマルを選択し、 [ok] (図 4、ステップ i.4 3) をクリックします。
  4. メニュー バーおよびコントロール シータのDA30 (図 5、手順 i.5 1) を選択してください.(図 5、手順 i.5 2) DA30 角 (θx, θy) 構成の設定パネルを開きます。
  5. 発光角度 (θxと θy) を選択 (-6 °、0 °) = SARPES スペクトル (図 5手順 3 i.5) を取る。
  6. 特定の軸に沿って正の方向に VLEED ターゲットを磁化するバイポーラ コンデンサー銀行を制御することによって磁場を適用 (α: x y、またはz)。
    注: システムでこのプロセスは [図 6 (a)] コマンド プロンプトから実行できます。
  7. 強度スペクトル (図 2i.2-3 の手順) を実行をクリックします。
  8. Α に沿って負の方向に VLEED ターゲットを磁化させるし、強度スペクトルをスキャンを開始するための磁界を適用します。
  9. スピン偏極とスピン分解スペクトルを計算します。

7. 光の偏波依存性をスキャン

  1. 7 eV レーザーの偏光をチューニングするステッピング モーターによりきめ細かい制御が λ/2-用の角度を変更します。
    注: 我々 のシステムでこのプロセスは [図 6 (b)] コマンド プロンプトから実行できます。
  2. X、y 、およびz軸のスピン分解スペクトルを取る。
  3. 102 ° 3 ° のステップ サイズの 0 ° から半波長板の角度を変えることで光の偏光の関数としてスピン分解スペクトルをスキャンします。

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Representative Results

SARPES 実験を開始、する前にkの位置で高エネルギー、角-解像度 (プロトコル 5.1 5.5) 高統計スピン統合角度分解光電子分光の結果を使用してスピン分解スペクトルを取るため正確に決定する必要があります。これは Bi2Se3単結晶の角度分解光電子分光の結果が表示されます図 7で示されます。この材料は、表面状態のスピン偏極14,15の典型的なトポロジカル絶縁体と呼ばれます。角度分解光電子分光バンド マップは明らかに二次元の表面状態16の非常に急なディラック コーンのようなエネルギー分散を解決します。角度分解光電子分光の結果は、高品質の劈開面とサンプルの向きを確認します。バンド マップとフェルミ面マッピングのエネルギーと運動量の情報から今 SARPES 実験の具体的な排出角度を選択できます。

図 8異なる磁化方向 (+My ・My) (θx, θy) で撮影のエネルギー分布曲線 (Edc) を表します(a)全体の -kのF (-6 °、0 °) を =、表面のバンドは、図 7に示すように点線に沿ってカットに対応します。データからスピン分解物質は次のように取得できます。最初は、スピン分極 (Py) がこの関係を使用して推定されます。

Equation 1

αが解決の軸 (x、 y 、 z) をあり、私+M α (私-M α) は、光電子強度 +M α (-M α) とSeffは、通常 0.311であるシャーマン関数です。得られたPyカーブは図 8 (b)に示すように。スピン ・ アップのスピン分解スペクトル (Equation 2) とスピン ダウン (Equation 3) によって得られます。

Equation 4

結果スピン分解スペクトルは, 図 8(c)。

ダブル VLEED スピン検出器x、 y 、 z軸の 3 D スピンを解像度を得ることができます。図 9(a)に示すこれどこpを用いたスピン分解スペクトル-偏波設定と、対応するスピン分極 (Px PyおよびPz)されます。フェルミ エネルギー近く明確なピークは、Bi2Se3の表面状態に割り当てられます。データは、 Py x PとPz、他のコンポーネントが僅かに小さい完全スピン偏極 ~ 100% であることを表します。3 D スピン分解スペクトルは従ってy、バンド計算16,17,18に一貫している固定表面状態のスピン量子軸を示します。

P- のs軌道選択的励起に着目し、-偏光レーザー。一般に、強いスピン軌道相互作用の下で異なる軌道対称性は単一固有17,18反対スピノルを混ぜています。私たちの実験的幾何学、 p-偏極 (s-偏光) 光pxおよびpz (py) に敏感であるスピン-軌道の軌道コンポーネント結合波動関数 (の挿入図 9)。それにより、スピン軌道結合により軌道選択的レーザー SARPES はp- とsの逆スピン分極を検出する必要があります-偏波。確かに、これは図 9(、)と9 (b)で示されます。明らかにPy表面状態17,18スピン軌道結合効果を直接表示の重要な光の偏光依存性を遵守します。

さらに、レーザー SARPES を affords 傾斜偏光p- とsの間でもPx PyおよびPzの直線偏波の進化をさらに調査します-偏19します図 10(a)のように、3 d スピン検出レーザー SARPES 表示Px、 PyおよびPz結合エネルギーの 0.025 eV での関数として、。線形偏。ここでは、結果に含まれる 102 のデータ ポイントでは、6 時間以内に買収されました。Pyの偏光依存性は、正と負Py光電子の励起という事実によって説明される簡単にp- とs-応用レーザーのコンポーネント キャンセルします。ただし、これはPxおよびPzの進化を説明することはできません。この結果を完全に記述するには、コヒーレントなスピン光電子図 10(b)に示すようにプロセスを考慮する必要が。直線偏波同時にスピンアップ、スピンダウン状態を興奮させる、これらの 2 つの量子スピンの拠点は、コヒーレント重畳光電子状態スピン回転の結果します。実際には、表示されている偏光依存性は、スピンアップ、スピンダウンp- やsによって興奮間コヒーレント干渉を考慮したモデルの計算でよく再現され-分極19。同様のスピン効果はまた放射20,213 D SARPES によって観察されています。

Figure 1
図 1: レーザー SARPES の検知システム模式。2 つ VLEED スピン検出器直交するジオメトリの配置は、半球光電子分析装置に接続されます。この図は、弥次から変更されている k.ら。11.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2: アナライザーのスクリーン ショット ソフトウェアを制御します。I.2 3 i.2 1 の手順は、検出モード (角度分解光電子分光または SARPES) と撮影データの選択を開始する方法を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3: コントロールのスクリーン ショット パネルの検出モードを選択します。I.3 4 i.3 1 の手順は、フェルミ面マッピングを開始する方法を示します。編集ボタンを押すと (ステップ i.3 3)、(ステップ i.3 4) のマッピングのプロパティを定義する新しいパネルが持ち上がります。

Figure 4
図 4: スクリーン ショット コントロールのパネルの検出モードを選択します。I.4 3 i.4 1 の手順は、SARPES モードを開始する方法を示します。スピンの領域が選択されている (i.4 1 ステップ) と下部場合[ok]が押される (i.4 3 ステップ)、パネルが閉じ、全体アナライザー セットアップに SARPES モードになります。

Figure 5
図 5: 電子偏向器のコントロール パネルのスクリーン ショットです。I.5 3 i.5 1 の手順は、光電子偏向器を制御する方法を示します。地域制御... シータ(ステップ i.5 2) を押すと、光電子光偏向素子 (ステップ i.5 3) のプロパティを定義する新しいパネルが持ち上がります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 6
図 6: スピン ターゲットと偏光の磁気フィールドのパネルのスクリーン ショットです。これらのプロパティは、我々 のシステムでコマンド ・ ラインによって制御されます。(a) をスピン ターゲットの磁場を制御するコマンド:「アプリケーション ファイルの名前」に対応する「spin_coil.exe + X」"フィールドの方向 + または -"と「軸、 x、 yまたはz」。(B) を光の偏光を制御するコマンド:「アプリケーション ファイルの名前」に対応する「wave_plate.exe 180」と「 λ/2-waveplate の角度"。

Figure 7
図 7: フェルミ面マッピングと Bi2Se3 E kバンド マッピングの角度分解光電子分光による表面状態。ダッシュ ラインは、図 8と図 9に示すように、スピン分解スペクトルを取るためkの位置を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 8
図 8: Bi2Se3バンド スペクトルを表面スピン角度分解します。(a) エネルギー分布曲線 (Edc) は異なる磁化方向 +MyとMy 図 7に破線の線カットに対応する固定排出角度で測定。(b) スピン分解解析から得られる結合エネルギーの関数としてスピン分極。(c) 結果内分泌かく乱化学物質のスピン ・ アップ (赤い三角形)、スピン ・ ダウン (青い三角形) チャンネル。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 9
図 9: p- とs-Bi2Se3の表面状態から光電子スピンの偏波依存性。(a) と (b) 3 D スピン分解スペクトルxy、z 軸と、対応するスピン分極 (Px PyおよびPz) 関数としてp- s によって得られる結合エネルギーの-図 7に破線の線カットに対応する固定の出射角両偏波用です。P- とsのくぼみ、実験の構成-偏波が表示されます。この図は、黒田健二らから変更されています。19. p- (s) pxおよびpz (py) 軌道の波動関数のような偏波が選択的に興奮させます。Pxおよびpz (py) に結合された状態 +yスピン (−yスピン) スピン軌道結合表面状態16,17。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 10
図 10: 直線偏光による三次元スピン分極効果。(a)P のx、y、zの Bi2応用に関して Se3表面状態のプロットは直線レーザーを偏光しました。はめ込み、 x-z平面に投影されたレーザーの電場が表示されます。全体的なデータ ポイントは、6 h 以内に撮影されました。この図は、黒田から変更されている k.ら。19. (b) は、スピンアップ、スピンダウン スピンの干渉による 3 D スピン回転を可視化します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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Discussion

角度分解光電子分光と SARPES 技術は、一般バンド マッピングとスピン検出1,2バンド電子構造を研究するために使用されています。上記これらの一般的な利点に加えてレーザー SARPES 光双極子励起の軌道選択ルールに基づくは波動関数と量子スピン干渉におけるスピン軌道結合効果を可視化する手法として用いることができます。.レーザーの偏光を傾斜する直線偏光p- とsの間に波長板だけで簡単に操作できる図 9 および 10に示されているように-分極19。原則として、円形とも楕円偏光を得られるし、レーザー様々 SAPRES の使用ことができます。可変偏波のこの品種は、希ガス放電ランプや放射など従来の光源でほとんど得られます。したがって、3 D スピン解像度偏波可変レーザーと SARPES の組み合わせは、光電子技術の能力を大幅に増加します。

最良のコンディションでレーザー SARPES を実行するには、必要がある常に空間電荷効果12、高強度レーザー生成高密度電子パケットのクーロン斥力による光電子のエネルギーが一般に広がりについて注意してください。この問題がある場合 (ステップ 4.3) 7 eV レーザーのパワーを最適化が必要です。第二に、サンプルから光電子の強度が悪い場合アナライザー入口スリットと絞り値をする必要があります (ステップ 6.1) を開き、この場合ただし、エネルギー分解能が犠牲になります。したがって、レーザー SARPES 実験に合わせて実験の設定を慎重に選択が必要です。

シンクロトロン放射光と標準の光電子分光法と比較してレーザー SARPES の主な欠点は、レーザー様々 SAPRES レーザーの光子のエネルギーは通常ない可変です。光電子分光法における可変光子はプローブkz分散する必要がある 3 D 一括バンド構造を識別がおよび二次元の表面状態1。また、このペーパーで使用される 7 eV の光子のエネルギーはより高い光子エネルギーとを比較して小さいkエリアをスキャンできます。したがって、レーザー SARPES は、ブリルアン ゾーン中心の二次元の表面状態の調査に制限されます可能性が高い。

ただし、スピン軌道結合状態のレーザー SARPES テクニックの力を広く適用できることに注意してください。最近、本で記述されているプロトコルを使用して、我々 がさらに明らかに強いスピン軌道結合効果とその重要なk-Bi 薄膜22と BiAg2/Ag(111) 表面合金23依存性。また、高効率の SARPES 技術開発を始めて、標準的な実験方法を徐々 に注目に値するです。プロトコルは、研究者 SARPES を使用し、作り出されたデータの理解を助けるものです。

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Disclosures

著者は、彼らは競合する金銭的な利益があることを宣言します。

Acknowledgments

福島聡豊久中山雅に感謝我々 の石田慶樹が実験のセットアップ サポートしています。感謝する資金日本学術振興会 Grantin 援助から研究 (B) プロジェクト号 26287061 を通じての若手研究 (B) プロジェクト号経由 15 K 17675。この作品も (新学術領域「トポロジカル材料科学」許可第 16 H 00979) 日本の文部科学省と日本学術振興会科研費 (補助金第 16 H 02209) によって支持された

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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問題 136 固体物理学 バンド構造の固体、スピン軌道相互作用、スピン偏極、表面状態、光電子、スピン検出器レーザ工学
偏波可変レーザーと組み合わせてスピン角度分解光電子分光の実験法
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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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