Experimentelle Methoden für Spin - und Winkel-Resolved Photoemission Spectroscopy kombiniert mit Polarisation-Variable Laser
Summary
Hier kombinieren wir Polarisation-Variable 7-eV Laser mit Spin und Winkel gelöst fotoemission Technik, die Spin-Orbital Kupplung Wirkung in Festkörpern zu visualisieren.
Abstract
Das Ziel dieses Protokolls ist zu präsentieren wie Spin und Winkel gelöst fotoemission Spektroskopie kombiniert mit Polarisation-Variable 7-eV Laser (Laser-SARPES) durchgeführt, und eine Leistung von dieser Technik für das Studium der Festkörperphysik zu demonstrieren. Laser-SARPES erreicht zwei große Fähigkeiten. Erstens kann durch die Untersuchung orbital Auswahlregel linear polarisierten Laser, orbital selektive Anregung in SAPRES Experiment durchgeführt werden. Zweitens kann die Technik umfassend eine Variation der Quanten Drehachse in Abhängigkeit von der Lichtpolarisation zeigen. Um die Leistungsfähigkeit der Zusammenarbeit dieser Funktionen in Laser-SARPES demonstrieren, wenden wir diese Technik für die Untersuchungen der Spin-Bahn-Verbindung Oberfläche Staaten Bi2Se3. Diese Technik bietet, Spin und Orbital-Komponenten aus der Spin-Bahn-Verbindung-Wellenfunktionen zu zerlegen. Darüber, wie ein repräsentative Vorteil bei der Verwendung der direkten Spin-Erkennung mit der Polarisation-Variable Laser zusammenarbeitete, visualisiert die Technik eindeutig die Lichtpolarisation Abhängigkeit der Quanten Drehachse in drei Dimension. Laser-SARPES steigt dramatisch an eine Fähigkeit der Photonenemission Technik.
Introduction
Winkel gelöst fotoemission Spektroskopie (ARPES) Technik entwickelte sich zu einer der mächtigsten Werkzeug Bandstrukturen Quasiteilchen in Festkörpern1zu untersuchen. Die meisten von attraktive Eigenschaft der ARPES ist die Fähigkeit zur Band-Mapping, um elektronische Staaten im Energie- und Impulserhaltung Raum charakterisieren. Spin-resolved ARPES (SARPES), die hier mit Spin-Detektoren, z.B.ausgestattet ist. Mott-Detektor2,3, weitere ermöglicht es uns, den Spin-Charakter der beobachteten Band Strukturen4zu lösen. Da der Mott-Detektor die Spin mit zwei Achsen (X und Zoder y und Z) messen kann, ermöglicht die Kombination der beiden Mott Detektoren weiter Spin-Orientierung in drei Dimensionen4,5 zu erhalten . Seit mehreren Jahrzehnten jedoch die SARPES Experimente waren litt ihre geringe Effizienz (in der Regel 1/10000 im Vergleich dazu für Spin-integrierte ARPES Messung)3,4,5,6 ,7, die die Energie und eckige Auflösung begrenzt hatte. Vor kurzem wurde die Energieauflösung von SARPES mit einem hocheffizienten Spin-Detektor basierend auf Exchange-Streuung, die so genannte sehr-niedrig-Energie-Elektronenbeugung (VLEED) Detektor7,8,9 erhöht ,10. Mit diesem Detektor die Datenqualität wurde deutlich verbessert und die Daten Akquisition verkürzt. Vor kurzem gelungen, SARPES stark um Spin-polarisierten elektronische Staaten und vor allem Spin-Bahn Kopplung Effekts in der Spin-Textur der Oberfläche Bands7zu beheben.
Hier beschäftigen wir SARPES Messungen mit einer Polarisation-Variable Vakuum-Ultraviolett laser-Licht (Laser-SARPES) und die großen Vorteile dieser kombinierten Technik zu demonstrieren. Durch die Untersuchung auf die Spin-Bahn-Verbindung Oberfläche Staaten Bi2Se3präsentieren wir Ihnen zwei Möglichkeiten der Laser-SARPES. Erstens wegen der orbital Auswahlregel linear polarisierten Laser in Dipol Übergang Regime, p– und s-polarisiertes Licht selektiv begeistern einen Teil des Eigen-Wellenfunktionen mit verschiedenen orbitalen Symmetrie. Solch eine orbitale selektive Anregung gibt es dabei in SARPES, nämlich Orbital-selektive SARPES. Zweitens, dreidimensionale (3D) Spin-Erfassung in SARPES zeigt die Richtung der Drehachse Quanten und direkt zeigt vollständige Informationen über die Licht-Polarisation-Abhängigkeit. In diesem Protokoll beschreiben wir kurz eine Methodik um diese State-of-the-Art Laser-SARPES Technik um die starken Spin-Bahn Kopplung Auswirkungen zu studieren.
Unsere Laser-SARPES-System befindet sich am Institut für Festkörperphysik, The University of Tokyo11. Die schematische Zeichnung unserer Laser-SAPRES-Maschine ist in Abbildung 1dargestellt. Die Polarisation-Variable 7-eV Laser Licht12 erhellt die Probenoberfläche und der Photoelektronen werden aus der Probe abgegeben. Die Polarisation der Laser automatisch gesteuert MgF2– basierte λ/2- und λ/4-wellenplatten, lineare und zirkularen Polarisationen selektiv zu verwenden. Eine halbkugelförmige Elektron-Analysator korrigiert die Photoelektronen und analysiert ihre kinetische Energie (EKin) und Emissionswinkel (θX und θy). Die Photoelektronen Intensitäten werden auf der EKin–θX Bildschirm überwacht von einer CCD-Kamera abgebildet. Dieses Bild wird direkt in die Energie-Bandstruktur im reziproken Raum umgewandelt.
Für SARPES Messung der Photoelektronen mit einem bestimmten Abstrahlwinkel und die kinetische Energie von den Elektronen-Analyzer analysiert orientieren sich an zwei VLEED-Typ-Spin-Detektoren mit einem 90-Grad-Photoelektronen-Deflektor und Photoelektronen Balken konzentrieren sich auf zwei verschiedene Ziele der Fe(001) –p(1 × 1) Filme von Sauerstoff gekündigt. Die Photoelektronen reflektierten die Ziele werden in einzelne Kanalerkennung erkannt, mithilfe einer Channeltrons in jeder Spin-Detektor gelegt. Die VLEED Ziele können mit Helmholtz-Typ elektrische Spulen magnetisiert werden, die mit orthogonalen Geometrie zueinander angeordnet sind. Die Magnetisierungsrichtung der bipolaren Kondensator-Bank gesteuert. Die doppelte VLEED Spin-Detektoren ermöglichen dabei den Spinpolarisation Vektor der Photoelektronen in drei Dimensionen zu analysieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
ARPES und SARPES Techniken wurden häufig verwendet für das Studium der elektronischen Bandstrukturen durch die Zuordnung von Band und Spin-Erkennung1,2. Neben diesen allgemeinen Vorteilen, die oben gezeigt kann Laser-SARPES basierend auf orbital Auswahlregel in optischen Dipol Erregung als eine neuartige Technik zur Visualisierung des Spin-Orbital-Kupplung-Effekts in der Wellenfunktion und Quantum Spin Eingriff eingesetzt werden . Wie in Ab…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir bedanken uns bei M. Nakayama, S. Toyohisa, A. Fukushima und Y. Ishida für unterstützt, den Versuchsaufbau. Wir dankbar anerkennen, Finanzierung von JSPS Grantin-Hilfe für wissenschaftliche Forschung (B) durch Projekt Nr. 26287061 und für junge Wissenschaftler (B) durch Projekt Nr. 15K 17675. Diese Arbeit wurde auch unterstützt durch MEXT of Japan (innovativer Bereich “topologische Werkstoffwissenschaft,” gewähren Nr. 16 H 00979) und JSPS KAKENHI (Grant Nr. 16 H 02209)
Materials
| 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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