Metodi sperimentali per la spettroscopia di fotoemissione risolta di Spin e angolo combinato con polarizzazione-variabile Laser
Summary
Qui, uniamo la polarizzazione-variabile 7-eV laser con tecnica di fotoemissione risolta di rotazione e angolo di visualizzare l’effetto di accoppiamento spin-orbitale in stati solidi.
Abstract
L’obiettivo del presente protocollo è quello di presentare come eseguire spettroscopia di fotoemissione risolta di rotazione e angolo combinata con polarizzazione-variabile 7-eV laser (laser-SARPES) e dimostrare una potenza di questa tecnica per lo studio della fisica dello stato solido. Laser-SARPES realizza due grandi capacità. In primo luogo, esaminando la regola di selezione orbitale dei laser polarizzato linearmente, orbitale eccitazione selettiva può essere effettuata in SAPRES esperimento. In secondo luogo, la tecnica può mostrare informazioni complete di una variazione dell’asse di quantum di rotazione in funzione della polarizzazione della luce. Per dimostrare il potere della collaborazione di queste funzionalità in laser-SARPES, applichiamo questa tecnica per le indagini di Stati di spin-orbita accoppiato superficie di Bi2Se3. Questa tecnica permette di decomporre spin e orbitali componenti dalle funzioni d’onda di spin-orbita accoppiato. Inoltre, come un rappresentanza vantaggio di utilizzare il rilevamento diretto spin ha collaborato con il laser variabile di polarizzazione, la tecnica Visualizza senza ambiguità la dipendenza di polarizzazione della luce dell’asse di quantum di rotazione in tre dimensioni. Laser-SARPES aumenta drammaticamente una capacità della tecnica di fotoemissione.
Introduction
Tecnica di spettroscopia (ARPES) risolti in angolo di fotoemissione è diventata uno degli strumenti più potenti di indagare strutture di banda quasiparticella in stati solidi1. La maggior parte della caratteristica attraente di ARPES è la funzionalità per la mappatura di banda caratterizzare gli stati elettronici nello spazio di energia e quantità di moto. Risolta in spin ARPES (SARPES), che qui è dotata di rilevatori di spin, ad es. Mott rivelatore2,3, ulteriormente consente di risolvere il carattere di spin delle strutture osservate banda4. Poiché il rilevatore di Mott può misurare la rotazione con due assi (x e z, o y e z), la combinazione dei due rivelatori Mott ulteriormente permette di ottenere l’orientamento di rotazione in tre dimensioni4,5 . Per diversi decenni, tuttavia, gli esperimenti SARPES furono subiti dalla loro bassa efficienza (in genere 1/10000 rispetto a quella per spin-integrato misura ARPES)3,4,5,6 ,7, che aveva limitato l’energia e l’angolare-risoluzioni. Recentemente, è stata aumentata la risoluzione di energia di SARPES con un rilevatore di rotazione alto-efficiente basato sullo scattering di scambio, il cosiddetto molto-basso-energia-diffrazione elettronica (VLEED) rivelatore7,8,9 ,10. Con questo rilevatore, la qualità dei dati è stata notevolmente migliorata e il tempo di acquisizione dei dati è stato accorciato. Recentemente, SARPES ha riuscito notevolmente per indirizzo polarizzata in spin di stati elettronici e particolarmente effetto di accoppiamento spin-orbita conseguente la texture di spin delle bande di superficie7.
Qui, ci avvaliamo di SARPES le misure con una polarizzazione-variabile sottovuoto ultravioletto laser luce (laser-SARPES) e dimostrare i grandi vantaggi di questa tecnica unita. Attraverso l’indagine sugli stati di superficie spin-orbita accoppiato in Bi2Se3, presentiamo due funzionalità del laser-SARPES. In primo luogo, a causa della regola di selezione orbitale dei laser polarizzato linearmente in regime di transizione di dipolo, p– e s-luci polarizzate eccitano selettivamente una parte di eigen-funzioni d’onda con differente simmetria orbitale. Tale un’eccitazione selettiva orbitale è quindi disponibile in SARPES, vale a dire, orbital-selettivo SARPES. In secondo luogo, tridimensionale (3D) spin-rilevazione in SARPES indica la direzione dell’asse di quantum di rotazione e direttamente Visualizza informazioni complete della dipendenza dalla luce-polarizzazione. In questo protocollo, descriviamo brevemente una metodologia per eseguire questa tecnica di state-of-the-art laser-SARPES per studiare gli effetti di accoppiamento spin-orbita forte.
Il nostro sistema di laser-SARPES si trova presso l’Istituto di fisica dello stato solido, The University of Tokyo11. Il disegno schematico della nostra macchina laser-SAPRES è illustrato nella Figura 1. La polarizzazione-variabile 7-eV laser luce12 illumina la superficie del campione ed i fotoelettroni emessi dal campione. La polarizzazione del laser è controllata automaticamente dal MgF2– base λ/2 – e λ/4-birifrangenti per utilizzare selettivamente le polarizzazioni lineari e circolari. Un analizzatore emisferico dell’elettrone corregge i fotoelettroni e analizza la loro energia cinetica (Eparenti) e l’angolo di emissione (θx e θy). Le intensità di fotoelettroni vengono mappate su Ekin–θx schermo controllato da una telecamera CCD. Questa immagine viene trasformata direttamente nella struttura a bande di energia nello spazio reciproco.
Per la misura di SARPES, i fotoelettroni con angolo di emissione specifica ed energia cinetica analizzati dall’analizzatore dell’elettrone sono guidati a due rivelatori di spin VLEED-tipo con un deflettore del fotoelettrone 90 gradi e le travi di fotoelettroni sono focalizzate su due diversi target di Fe(001) –p(1 × 1) film terminato da ossigeno. Fotoelettroni riflettuti dalle destinazioni vengono rilevati nella rilevazione di singolo canale utilizzando un channeltron collocato in ogni spin rivelatore. Gli obiettivi VLEED possono essere magnetizzati con bobine elettriche Helmholtz-tipo, che sono organizzate con geometria ortogonale rispetto alla vicenda. La direzione di magnetizzazione è controllata dalla banca condensatore bipolare. I rivelatori di spin VLEED doppi permettono quindi di analizzare il vettore di polarizzazione di spin di fotoelettroni in tre dimensioni.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tecniche di ARPES e SARPES sono stati comunemente utilizzate per lo studio di strutture di gruppo elettronico attraverso la mappatura di banda e spin-rilevamento1,2. Oltre a questi vantaggi generali sopra indicati, laser-SARPES basato sulla regola di selezione orbitale nell’eccitazione ottica dipolo può essere impiegato come una tecnica novella per visualizzare l’effetto di accoppiamento spin-orbitale l’interferenza di spin funzione d’onda e quantistica . Come i…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo M. Nakayama, Toyohisa S., r. Fukushima e Y. Ishida per supporta per la messa a punto sperimentale. Noi riconosciamo con gratitudine da JSP Grantin-aiuti di finanziamento per la ricerca scientifica (B) attraverso il progetto n. 26287061 e per giovani scienziati (B) attraverso il progetto n ° 15K 17675. Quest’opera fu appoggiata anche dal MEXT del Giappone (Area innovativa “topologico scienza dei materiali,” concedere n ° 16 H 00979) e JSPS KAKENHI (Grant No. 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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