Yöntem makalesi

Spin ve açı çözüldü Photoemission spektroskopisi polarizasyon değişkenli lazer ile kombine için deneysel yöntemleri

DOI:

10.3791/57090

⸱

28 Haziran 2018

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

Bu makalede

Özet

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

Burada, polarizasyon değişkenli 7-eV lazer spin-orbital kaplin etkisi katı Birleşik Devletleri görselleştirmek için spin ve açı çözüldü photoemission tekniği ile birleştirir.

Özet

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

Bu protokolü nasıl spin ve açı çözüldü photoemission spektroskopisi polarizasyon değişkenli 7-eV lazer (lazer-SARPES) ile birlikte gerçekleştirmek için mevcut ve katı hal fiziği çalışmak için bu teknik bir güç göstermek için hedeftir. Lazer-SARPES iki büyük yetenekleri sağlar. İlk olarak, yörünge seçim kuralı doğrusal polarize lazerlerin inceleyerek, yörünge seçici uyarma SAPRES deneyde yürütülen olabilir. İkinci olarak, teknik bir varyasyon spin kuantum eksen ışık polarizasyon bir fonksiyonu olarak tam bilgi gösterir. Lazer-SARPES bu yetenekleri işbirliği gücünü göstermek için spin-yörünge birleştiğinde yüzey Birleşik BI2Se3araştırmalar için bu tekniği uygulamak. Bu teknik spin ve yörünge spin-yörünge birleştiğinde wavefunctions bileşenlerinden çürümeye affords. Ayrıca, doğrudan spin algılama kullanarak bir temsilci avantajı polarizasyon-değişken laser ile işbirliği gibi teknik belirsizliğe yer bırakmadan spin kuantum eksen üç-boyut ışık polarizasyon bağımlılığının görüntüler. Lazer-SARPES önemli ölçüde photoemission teknik kapasitesini artırır.

Giriş

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

Photoemission açı çözüldü spektroskopisi (ARPES) tekniği quasiparticle grup yapıları sağlam Birleşik1' deki araştırmak için en güçlü bir araç haline geldi. En iyi şekilde çekici özelliği ARPES, enerji ve momentum uzayda elektronik Birleşik karakterize etmek Grup eşleştirme için yeteneği var. Spin çözüldü ARPES (burada spin-dedektörleri, e.gile donatılmış SARPES). Mott dedektörü2,3, daha fazla spin karakter gözlenen grup yapıları4gidermek bize sağlar. Mott dedektörü spin iki eksen (x ve z, veya y ve z) ile ölçebilirsiniz beri iki Mott dedektörleri daha fazla kombinasyonu bir üç boyut4,5 spin yönde elde etmek izin verir . Birkaç on yıl için ancak, SARPES deneyler onların düşük verimlilik (genellikle 1/spin entegre ARPES ölçüm için kıyasla 10000) zarar3,4,5,6 ,7enerji ve açısal çözünürlük sınırlı oldu,. Son zamanlarda, SARPES enerji çözünürlüğe üzerinde exchange saçılma, sözde çok düşük enerjili elektron-kırınım (VLEED) dedektörü7,8,9 dayalı bir yüksek verimli spin dedektörü ile artış ,10. Bu dedektörü ile veri toplama süresi kısaltılmış ve veri kalitesi önemli ölçüde geliştirilmiştir. Son zamanlarda, SARPES büyük ölçüde elektronik Birleşik spin polarize ve özellikle spin-yörünge kaplin etkisi yüzey bantları7spin doku kaynaklanan adrese başarılı oldu.

Burada, biz SARPES istihdam ölçümleri bir kutuplaşma değişkenli vakum ultraviyole ile lazer ışığı (lazer-SARPES) ve bu kombine teknik büyük avantajları göstermektedir. Spin-yörünge birleştiğinde yüzey Birleşik BI2Se3soruşturma, biz iki lazer-SARPES yeteneklerini mevcut. İlk olarak, doğrusal polarize lazerler dipol geçiş rejimi, p- ve syörünge seçim kuralı nedeniyle-polarize ışık seçerek heyecanlandırmak eigen-wavefunctions farklı yörünge simetri ile bir parçası. Yörünge bir seçici uyarma SARPES, yani, orbital-seçici SARPES böylece kullanılabilir. İkinci olarak, üç boyutlu (3D) spin-algılama SARPES spin kuantum eksen yönünü gösterir ve doğrudan ışık-polarizasyon bağımlılığı tam bilgileri görüntüler. Bu iletişim kuralı kısaca güçlü spin-yörünge kaplin etkilerini incelemek için bu state-of--art lazer-SARPES teknik gerçekleştirmek için bir metodoloji açıklayın.

Lazer-SARPES sistemimiz Institute for Solid State fizik, Tokyo Üniversitesi11yer alır. Bizim lazer-SAPRES makine şematik çizim Şekil 1' de gösterilen. Polarizasyon değişkenli 7-eV lazer ışık12 örnek yüzeyi aydınlatan ve photoelectrons örnek yayılan. Lazer kutuplaşma otomatik olarak MgF2- tabanlı λ/2 - ve seçmeli olarak doğrusal ve dairesel kutuplaşmalar kullanmak için λ/4-waveplates tarafından kontrol edilir. Hemisferik elektron analyzer photoelectrons düzeltir ve onların kinetik enerji (Ekin) ve emisyon açı (çapx ve θy) analiz eder. Photoelectron yoğunluklarda Ekin- CCD kamera tarafından izlenençapx ekran üzerinde eşleştirilir. Bu görüntü doğrudan enerji grup yapısı karşılıklı uzayda dönüşüyor.

SARPES ölçüm, belirli emisyon açı ve kinetik enerji elektron Çözümleyicisi tarafından analiz ile photoelectrons iki VLEED tipi spin yangın dedektörleri ile 90 derece photoelectron saptırıcı için yönlendirilir ve photoelectron kirişler iki odaklanmıştır farklı hedefler filmlerin oksijen tarafından sona Fe(001) -p(1 × 1). Hedefler tarafından yansıyan photoelectrons her spin Dedektör yerleştirilen bir channeltron kullanarak tek kanal algılama ile tespit edilir. VLEED hedefleri saygı ile dik geometri ile düzenlenmiş olan Helmholtz tipi elektrikli bobinleri ile mıknatıslı olmalı. Mıknatıslama yönü iki kutuplu kondansatör banka tarafından denetlenir. Çift Kişilik VLEED spin Dedektör böylece bize photoelectron üç boyutlu spin-polarizasyon vektör analiz etmek etkinleştirin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. örnek Mount ve yükleme

  1. Tek-kristal örnekleri bı2Se313 yaklaşık bir 1 × 1 × 0,5 mm boyutunda kesme örnek tutucusu örneğe yapıştırmak için3 ve kullanım gümüş tabanlı epoksi.
  2. İskoç teyibini örnek yüzeyinde yapıştırın.
    Not: İskoç teyibini atomik temiz bir yüzey elde etmek için ultrahigh vakum (UHV) odası örnekte ayırmak için kullanılır.
  3. İçine yük kilit Dergisi örnek örnek yükleyin ve yük kilidi basınç 1 × 10-5 PA daha düşük olana pompa başlatın

2. örnek fizyon

  1. UHV Vana UHV hazırlık odası arasındaki yük kilidi açın.
  2. Örnek dergi yük kilit odasına bağlı doğrusal/döner feedthrough kullanarak yük kaya Hazırlık odasına taşıyın.
  3. Hazırlık odasına bağlı transfer çubuk tarafından dergi örnekten örnek almak.
  4. Örnek Dergisi yük kilide koy ve UHV Vanayı kapat.
  5. Hazırlık odası baskısı 5 × 10-7 PA tamamlanana kadar bekleyin
  6. Hazırlık odasında sallantı stick kullanarak İskoç teyibini soyma ve örnek UHV koşul altında ayırmak.

3. örnek Transfer için ölçüm konumu

  1. Örnek UHV ölçüm odasına aktarmak ve ölçüm odası ile donatılmış tornavida tarafından ana gonio aşamasına örnek düzeltmek.
  2. Gonio aşamalı ölçüm konuma taşımak ve mikrometre sahne tam olarak örnek konum Spektrometre odak üzerine taşımak için kullanın.

4. 7eV-lazer Kur

  1. Nd:YVO4 lazer açın.
    Not: Lazer yüksek tekrarlama oranı 120 MHz ile 355 nm lazer ışık üretir.
  2. Lazer ışını çekim açın ve lazer KBBF kristal ve 177 ikinci harmonik dalgası üzerinden geçer emin olun nm (6.994 eV) oluşturulur.
  3. 7 eV-lazer gücü 355 nm lazer ile değişken zayıflatıcı gücünü değiştirerek optimize.

5. ARPES veri toplama

  1. Analyzer denetim yazılımı masaüstü bilgisayarda açın.
    Not: "Bir elektron saptırıcı ile kontrol ScientaOmicron analyzer için genel bir program olan SES yazılım" kullanın.
  2. Kurulum sırası menüsünden aşağıda seçin (Şekil 2, adım i.2-1) bar.
  3. ARPES yapılandırma (Şekil 3, adım ı.3-1) ve ARPES eşleme listesinde (Şekil 3, adım ı.3-2) photoelectron yansıtıcı yüzey eşleştirmeyle Fermi gerçekleştirmek için seçin.
  4. (Şekil 3, adım ı.3-3) Düzenle ' yi tıklatın ve Fermi yüzey eşleme-12 ° adım boyu 0.5 ° (Şekil 3, adım ı.3-4) ile bir emisyon açının θy 12 ° arasında değişen yapılandırın.
    Not: Hemisferik analyzer bir elektron saptırıcı ile bize örnek rotasyonlar olmadan Fermi yüzey eşlemek sağlar.
  5. (Şekil 2, adım i.2-3) Çalıştır ' ı tıklatın.

6. SARPES veri toplama

  1. El ile makine Kurulum Çözümleyicisi giriş yarık ve diyafram boyutu (resim 1) de dahil olmak üzere SARPES ölçüm için değiştirin.
  2. Kurulum sırası menüsünden aşağıda seçin (Şekil 2, adım i.2-2) bar.
  3. (Şekil 4, adım ı.4'te-1) yapılandırma Spin ve Normal listesinde (Şekil 4, adım ı.4'te-2) seçip Tamam (Şekil 4, adım ı.4'te-3)'ı tıklatın.
  4. DA30 (Şekil 5adım i.5-1) menü çubuğu ve Denetim tetaseçin... (DA30 açı (çapx, θy) yapılandırması için ayar panelini açmak içinŞekil 5adım i.5-2).
  5. Emisyon açı (çapx, θy) seçin SARPES spectra (Şekil 5adım i.5-3) almak (-6 °, 0 °) =.
  6. Manyetik alan iki kutuplu kondansatör banka VLEED hedef belirli eksen boyunca olumlu yönde manyetize kontrol ederek uygulamak (α: x, yveya z).
    Not: sistemimiz içinde buyurmak-e sevketmek ile [Şekil 6 (bir)] Bu işlem yapılabilir.
  7. Yoğunluk spektrum (Şekil 2, adım i.2-3) almak için Çalıştır ' ı tıklatın.
  8. Manyetik alan VLEED hedef α boyunca negatif yönde manyetize ve tarama yoğunluğu spektrum almaya başlamak için geçerli.
  9. Spin-polarizasyon ve spin çözüldü spectra hesaplayın.

7. ışık polarizasyon bağımlılık taraması

  1. λ/2-waveplate tam 7 eV-lazer ışık kutuplaşma ayarlamak için adım motor tarafından kontrollü açısını değiştirmek.
    Not: bizim sistemi, komut istemi [Şekil 6 (b)] ile bu işlem yapılabilir.
  2. X, y ve z eksenleri için spin çözüldü spectra al.
  3. Spin çözüldü spectra 0 ° yarım waveplate açıdan adım boyu 3 ° ile 102 ° değişen ışık polarizasyon bir fonksiyonu olarak inceden inceye gözden geçirmek.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

SARPES deneyler başlamadan önce k pozisyonlar yüksek hayatinizda spin entegre ARPES sonuçları yüksek enerji - ve açısal-çözünürlük ile (5.1-5,5 iletişim kuralı) kullanarak spektrum spin çözüldü almak için doğru bir şekilde belirlenecektir gerekir. Bu nerede bir bı2Se3 tek kristal ARPES sonuçları sunulmuştur Şekil 7 ' de gösterilmiştir. Bu malzeme bir spin polarize yüzey Birleşik14,

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

ARPES ve SARPES teknikleri elektronik grup yapıları grubu eşleme ve spin-algılama1,2ile çalışmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Yukarıda gösterilen bu genel avantajları yanı sıra lazer-SARPES optik dipol uyarma yörünge seçim kuralına göre wavefunction ve kuantum spin girişim spin-orbital kaplin yürürlükte görüntülenmesi için yeni bir teknik olarak istihdam edilebilir . Şekil 9 ve 10gösterildiği lazer kutuplaşm...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarlar onlar rakip hiçbir mali çıkarları var bildirin.

Teşekkürler

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

M. Nakayama, S. Toyohisa, A. Fukushima teşekkür ediyoruz ve Y. Ishida için deneysel kurulumu için destekler. JSP'ler Grantin yardımından için bilimsel araştırma (B) aracılığıyla Proje No 26287061 ve Proje No ile genç bilim adamları (B) için fon minnetle anıyoruz 15K 17675. Bu eser de (yenilikçi alan "topolojik malzeme bilimi," vermek No. 16 H 00979) Japonya MEXT ve JSP'ler KAKENHI (Grant No. 16 H 02209) tarafından desteklenmiştir

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
DA30-L yarım küre analizörüScientaOmicronhttp://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170
Gümüş bazlı epoksiEpoksi TeknolojisiH20E
Sctoch bant3M801-1-18C
UHV valfVAT01034-KE01
doğrusal/döner geçişFerrovacMD40
transfer çubuğuUHV tasarımıPP serisi
yalpalama çubuğuFerrovacWM40
Paladin kompakt 355Tutarlı
yarım dalga plakasıKogakugikensiparişi
Bipolar kondenser bankasıTsuji elektroniği
yaptı

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

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

İlgili makaleler