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

SARPES olarak adlandırılan spin ve açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi, spin bilgileri de dahil olmak üzere katı hal elektron yapılarını araştırmak için güçlü bir tekniktir. Yöntemimizde, bu tekniği polarizasyon değişkenli 7-eV lazer ile birleştirdik ve bu da elektron spin yapılarını çok hassas bir şekilde belirlememizi sağladı. SARPES genellikle senkrotron radyasyonu veya soy gaz deşarj lambası ile gerçekleştirilmiştir.

Bu yöntemle karşılaştırıldığında, polarizasyon değişkenli 7-eV lazer kullanmak büyük bir gelişmedir. Lazer ışını ile polarizasyon, dalga plakası kullanılarak kolayca kontrol edilebilir. Bu özelliği kullanarak, ışık polarizasyonuna duyarlı olan elektron dönüşünün davranışını tamamen izleyebiliriz.

Fotoelektron spin reaksiyonu, ışık polarizasyonuna bağlıdır. Ve bu, spin-yörünge eşleşmesi ve spin-girişimi gibi birçok fiziksel anlam gösterir. Bu nedenle, tekniğimiz yoğun madde fiziğini incelemek için kademeli olarak kullanılabilir.

Başlamak için, bizmut selenidin tek kristal örneklerini kesin ve bunları bir örnek tutucuya yapıştırmak için gümüş bazlı bir epoksi kullanın. Epoksi sertleştikten sonra, numunelerin yüzeyine bir parça bant yerleştirin. Ardından, numune magazinini ultra yüksek vakumlu yük kilidine aktarın ve yük kilidinin basıncı bir çarpı on ila eksi beş pascal'dan daha düşük olana kadar pompayı çalıştırın.

Ardından, yük kilidi ile hazırlama haznesi arasındaki ultra yüksek vakum valfini açın ve yük kilit haznesine bağlı geçiş mekanizmasını kullanarak numune magazinini yük kilidinden hazırlama haznesine taşıyın. Şimdi, numuneyi numune magazininden almak için bir transfer çubuğu kullanın ve ardından numune magazinini tekrar yük kilidine yerleştirin ve ultra yüksek vakum valfini kapatın. Hazırlama odasının basıncı beş çarpı on ila eksi yedi pascal'ın altına düşene kadar bekleyin ve ardından hazırlama odasındaki yalpalama çubuğunu kullanarak viski bandını bizmut selenit yüzeyinden soyun.

Bu, numuneyi parçalayacak ve atomik olarak temiz bir yüzey oluşturacaktır. Numuneyi UHV ölçüm odasına aktarın. Orada, numuneyi ana gonio aşamasına sabitlemek için bir tornavida kullanın.

Ardından, aşamayı ölçüm konumuna getirin ve numuneyi spektrometrenin odağına hassas bir şekilde konumlandırmak için bir mikrometre aşaması kullanın. Ardından, neodimyum katkılı itriyum ortovanadat lazeri açın ve on ila 15 dakika ısınmasına izin verin. Lazer ışını kapağını açın ve lazerin 177 nanometrelik ikinci bir harmonik dalga oluşturmak için bir potasyum berilyum floroborat kristalinden geçtiğinden emin olun.

Değişken bir zayıflatıcı kullanarak 355 nanometre lazerin gücünü değiştirerek yedi elektron volt lazerin gücünü optimize edin. İlk olarak, analizör kontrol yazılımını açın. Sıra menüsünde, kurulumu seçin ve ardından fotoelektron deflektörü ile Fermi yüzey haritalaması gerçekleştirmek için listeden ARPES konfigürasyonunu ve ARPES haritalamasını seçin.

Düzenle'ye tıklayın ve Fermi yüzey haritalamasını, emisyon açısı 12 derece ile 12 derece arasında değişecek ve adım boyutu 0,5 derece ve adım sayısı için 49 olacak şekilde yapılandırın. Ayarlandıktan sonra sıra menüsüne geri dönün ve çalıştır'ı seçin. Yarım küre analizörü, numuneyi döndürmeden Fermi yüzeyini haritalamamızı sağlayan bir elektron deflektörüne sahiptir.

Dönüş ve açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi ölçümü için makine kurulumunu manuel olarak değiştirin. Bu, hem analizör giriş yarığının hem de açıklık boyutunun değiştirilmesini içerir. Yazılımda, kurulumu seçin ve seçenekler listesinden döndürme yapılandırmasını ve normal'i seçin ve Tamam'a tıklayın.

Ardından, menü çubuğunda DA30'u seçin ve tetayı kontrol etmek için gezinin. Bu, DA30 açı yapılandırması için ayar panelini açacaktır. Panelde, teta x için emisyon açısını eksi altı derece ve teta y için sıfır derece olacak şekilde seçin.

Ardından, bipolar kondansatör bankasını kontrol ederek manyetik alanı uygulamak için bir komut istemi kullanın. Bu, v-lead'in hedefini x, y veya z ekseni boyunca konum yönünde manyetize edecektir. Ayarlandıktan sonra, yoğunluk spektrumunu almak için çalıştır'a tıklayın.

Ardından, v-kurşun hedefini eksen boyunca negatif yönde manyetize etmek için bir manyetik alan uygulayın ve başka bir yoğunluk spektrumu almak için taramayı çalıştırın. Bitirdiğinizde, spin polarizasyonunu ve spin çözülmüş spektrumları hesaplayın. Komut istemini kullanarak, yedi elektron volt lazerin ışık polarizasyonunu ayarlamak için yarım dalga plakasının açısını hassas bir şekilde değiştirmek için step motora güç verin.

Ardından, x, y ve z eksenlerinin her biri için spin çözümlü spektrumları alın. Yarım dalga plakası açısını üç derecelik adım boyutuyla sıfır dereceden 102 dereceye değiştirirken, ışık polarizasyonunun bir fonksiyonu olarak spin çözümlü spektrumları tarayın. Bizmut selenit, spin polarize yüzey durumlarına sahip prototipik bir topolojik yalıtkandır.

Bizmut seleniddeki yüzey durumunun elde edilen Fermi yüzey haritası, neredeyse daire şeklinde bir şekil gösterir. Ardından, yüksek simetri çizgisi boyunca bant eşlemesi yapın. Dirac konisi olarak adlandırılan X şeklindeki enerji dağılımını gösterir.

Bu sonuçlardan, artık SARPES deneyi için spesifik emisyon açısı seçilebilir. Bir teta x eksi altı dereceye eşit olduğunda ve teta y, yüzey bandının negatif kF'si boyunca sıfır dereceye eşit olduğunda, enerji dağılımı farklı manyetizasyon yönleri için eğriler, Fermi enerjisine yakın yoğunlukta zirve yapar. İki spektrumdaki yoğunluklar zirveye yakın yerlerde farklıdır.

Yoğunlukları arasındaki farktan, enerjinin ve spin çözülmüş spektrumların bir fonksiyonu olarak spin polarizasyonu hesaplanabilir. Görünüşe göre, yukarı dönüş spektrumu bir tepe yapısına sahiptir, ancak aşağı dönüş spektrumları nispeten düzdür. Bu, neredeyse% 100 spin polarizasyonunu yansıtır.

Aynı ölçümü farklı bir eksen için ve farklı ışık polarizasyonu ile alırken, elektronların dönüş yönü ve polarizasyon bağımlılığı açıkça görülebilir. P-polarizasyonu için, veriler sadece y boyunca pozitif% 100 spin polarizasyonunu açıkça gösterir ve x ve z yönleri boyunca spin polarizasyonu yoktur. İlginç bir şekilde, ışık polarizasyonu p'den s'ye değiştirildiğinde, spin-polarizasyonun işareti de x ve z spin bileşeni olmayan s-polarizasyonu için negatif %100'e geçer.

Tam spin bilgisinin bir sonucu olarak, elektronun spin dönüşü üç boyutta tamamen çözülür. Bizmut selenidin spin polarize durumunu başlatmak için polarizasyon değişken lazer ile SARPES'in gücünü gösterdik. Bu, ışık polarizasyonlarının bir fonksiyonu olarak elektron dönüşünü ve varyasyonlarını doğrudan görselleştirmemizi sağlar.

Bu teknik, diğer birçok fiziksel sistem için de kolaylıkla uygulanabilir. Deneyimiz, ışık alanlarındaki küçük değişikliklerin bile fotoelektron dönüşünü üç boyutlu olarak yeniden değiştirebileceğini gösteriyor. Numunenin nasıl aydınlatıldığı çok önemlidir.

Verileri doğru bir şekilde anlamak için deneysel geometriye dikkat etmek gerekir.