Angolo-spettroscopia di fotoemissione risolta A ultra-basse temperature
Summary
L'obiettivo generale di questo metodo è quello di determinare la bassa energia struttura elettronica dei solidi a ultra-bassa temperatura con angolo-Resolved spettroscopia di fotoemissione con radiazione di sincrotrone.
Abstract
Le proprietà fisiche di un materiale è definita dalla sua struttura elettronica. Elettroni nei solidi sono caratterizzati da energia (ω) e l'intensità (k) e la probabilità di trovare in un particolare stato determinato con ω e k è descritta dalla funzione spettrale A (k, ω). Questa funzione può essere misurata direttamente in un esperimento basato sul ben noto effetto fotoelettrico, per la spiegazione di cui Albert Einstein ha ricevuto il Premio Nobel nel 1921. L'effetto fotoelettrico la luce brillava su una superficie espelle elettroni dal materiale. Secondo Einstein, risparmio energetico permette di determinare l'energia di un elettrone all'interno del campione, purché l'energia del fotone di luce e l'energia cinetica del fotoelettrone uscita sono noti. Conservazione del momento rende anche possibile stimare k relativo al momentum del fotoelettrone misurando l'angolo al quale la fotoelettroni lasciato la superficie. La versione moderna di questa tecnica è chiamata spettroscopia di fotoemissione Angolo-Resolved (ARPES) e sfrutta due leggi di conservazione al fine di determinare la struttura elettronica, vale a dire energia e quantità di moto degli elettroni all'interno del solido. Al fine di risolvere i dettagli cruciali per la comprensione dei problemi attuali della fisica della materia condensata, tre quantità devono essere ridotti al minimo: * incertezza energia del fotone, l'incertezza in energia cinetica dei fotoelettroni e la temperatura del campione.
Nel nostro approccio si combinano tre successi recenti nel campo della superficie di sincrotrone scienze radiologiche, e la criogenia. Usiamo radiazione di sincrotrone con energia del fotone accordabile contribuendo un'incertezza dell'ordine di 1 MeV, un analizzatore di energia di elettroni che rileva l'energia cinetica con una precisione dell'ordine di 1 meV e He 3 criostato which ci permette di mantenere la temperatura del campione sotto di 1 K. Discutiamo i risultati ottenuti su esemplari di cristalli singoli di Sr 2 RuO 4 e alcuni altri materiali. La struttura elettronica di questo materiale può essere determinato con una chiarezza senza precedenti.
Introduction
Oggi ARPES è ampiamente usato per determinare la struttura elettronica dei solidi. Solitamente, diverse varianti di questo metodo sono definiti dalla sorgente della radiazione necessaria per eccitare gli elettroni. Usiamo radiazione di sincrotrone poiché offre un'opportunità unica per sintonizzare la polarizzazione e l'energia del fotone di eccitazione in un'ampia gamma di energie ed è caratterizzato da alta intensità, piccola larghezza di banda (incertezza in energia hn) e può essere concentrata in un fascio stretto di raccogliere fotoelettroni da un punto di poche decine di micron. La radiazione di sincrotrone è generato in anelli di accumulazione di elettroni costringendo gli elettroni che circolano sul ring con una energia dell'ordine di 2 GeV ** di passare attraverso accordi periodiche di forti magneti (ondulatori). Il campo magnetico deflette gli elettroni e quando tali elettroni veloci cambiare la loro direzione emettono radiazioni. Proprio questa radiazione è quindi diretto nella linea di luce cosiddetta dove viene ulteriormente monochromatizedda un reticolo di diffrazione e focalizzata sulla superficie del campione da specchi diversi. Ci sono molti tali impianti in tutto il mondo. Il nostro fine-stazione si trova in una delle linee di luce di anello di accumulazione BESSY che appartiene al Helmholtz-Zentrum Berlin.
Il cuore di questa struttura ARPES è l'analizzatore di elettroni energia (Figura 1). Poiché ci interessa sia l'energia cinetica e l'angolo a cui gli elettroni lasciare la superficie, è molto comodo per rilevare in una misurazione. Un principio molto semplice rende questo approccio una realtà. Come in un esperimento di base con una lente ottica, che si concentra un'onda piana nel punto del piano focale posteriore quindi eseguire spaziale di trasformazione di Fourier, gli elettroni lenti ottiche progetti elettroni che ha lasciato la superficie ad angolo particolare ad un punto del piano focale ( la figura 1). In tal modo si accede al reciproco, slancio cioè, lo spazio. La distance dalla direzione in avanti nel piano focale corrisponde all'angolo e quindi la quantità di moto del fotoelettrone. Ora gli elettroni devono essere analizzati in termini di energia. A questo scopo la fenditura di ingresso dell'analizzatore emisferica è posto esattamente nel piano focale della lente ottica dell'elettrone. Tensioni sui due emisferi sono scelti in modo tale che gli elettroni solo con particolare energia cinetica (passare energia) sarà guidato esattamente al centro di due emisferi e terreni sulla linea centrale del rivelatore bidimensionale. Quelli che sono più veloci ha colpito il rivelatore più vicino al emisfero esterno, quelle che sono più lenti sarà deviato verso l'emisfero interno. In tal modo si può ottenere la distribuzione di intensità fotoemissione in funzione dell'angolo di energia cinetica e simultaneamente.
Il vantaggio principale del nostro approccio rispetto ai metodi esistenti è l'uso di He 3 cryomanipulator. Ci sono almeno due ragioni per portare out le misurazioni a basse temperature. Maggiore è la temperatura del materiale, il più sbiadita stati elettronici diventano in energia e momento. Per determinare la struttura elettronica con alta precisione questa temperatura ampliamento deve essere evitata. Inoltre, molte proprietà fisiche dipendono dalla temperatura, alcuni fenomeni ordinazione fissati a basse temperature e la conoscenza della struttura elettronica nello stato fondamentale del sistema, cioè a T = 0, è di fondamentale importanza. Uno dei modi più efficaci per raffreddare il campione fino a decimi di Kelvin è per liquefare He 3 gas. In molti esperimenti raggiungono temperature sub-Kelvin non è un problema, poiché la radiazione termica, il nemico principale di ultra-basse temperature, può essere protetto in maniera efficace. Sfortunatamente, questo non è il caso in esperimenti di fotoemissione. Abbiamo bisogno di fornire l'accesso gratuito per la luce in entrata e in uscita elettroni. Questo è realizzato da feritoie appositamente progettati in tre rascudi diazione, con diverse temperature. Al fine di compensare il carico termico causato dal fascio di fotoni e temperatura ambiente radiazione, la potenza di raffreddamento del criostato deve essere molto elevata. Ciò si ottiene la velocità di pompaggio molto grande di due pompe che riducono la pressione del vapore sopra il liquido He 3, raffreddando così il dito freddo e campione. Le specifiche di progettazione del nostro sistema He 3 rendono la più potente in tutto il mondo. E 'forse l'unico posto sul pianeta dove si può vedere una superficie di 1 K fredda attraverso una finestra temperatura ambiente, il "più freddo visibile".
Il disegno dell'esperimento fotoemissione moderna è mostrato in Figura 1. Il fascio di sincrotrone (tratteggiata linea verde) illumina la superficie di 1 K a freddo del campione e fotoelettroni eccita. Elettroni vengono proiettati sul fenditura di ingresso dell'analizzatore emisferica, ordinati in termini di angolo di tracce (giallo, magenta e ciano corrispondono differeangoli di inclinazione NT) e quindi vengono analizzati in termini di energia cinetica. Figura 2 mostra la distribuzione tipica intensità in funzione dell'angolo di inclinazione e di energia cinetica. Ad una distribuzione di intensità è infatti previsto il confronto con i calcoli banda struttura di questo materiale mostra (pannello destro). Questa è la nostra finestra nello spazio reciproco.
Attraverso la scansione tensioni sulla lente e emisferi e ruotando il campione attorno all'asse verticale (angolo polare) siamo in grado di esplorare la vasta gamma energia di legame e vaste regioni dello spazio reciproco con dettagli senza precedenti. In particolare, riportando intensità al livello di Fermi in funzione di entrambe le componenti del moto in piano, calcolata da angoli di inclinazione e polari, abbiamo accesso diretto alla superficie di Fermi (FS).
* Sotto "incertezza" si comprende la miglior stima dello sperimentatore di quanto una quantità sperimentale potrebbe essere dal "verovalore ".
** Il basso consumo energetico anello può avere una energia di ~ 0.8 GeV, ad alta energia one – fino a 8 GeV.
Protocol
Representative Results
Discussion
Come mostrato sopra, il metodo implementato è molto efficace nello studio della bassa energia struttura elettronica di cristalli singoli. Recenti miglioramenti strumentali hanno trasformato ARPES da una caratterizzazione semplice e banda-strumento di mappatura in un sofisticato molti corpi spettroscopia. Un esperimento moderna fornisce informazioni sulla struttura elettronica di un solido o un nano-oggetto con un nuovo livello di precisione. Accedere alla superficie di Fermi, nel caso di un metallo, gap di energia di s…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Noi riconosciamo con gratitudine l'aiuto di Rolf Follath, Roland Hübel, K. Möhler, Dmytro Inosov, Jörg Fink, Andreas Koitzsch, Bernd Büchner, Andrei Varykhalov, Emile Rienks, Oliver Rader, Setti Thirupathaiah, Denis Vyalikh, Sergey Molodtsov, Clemens Laubschat, Ramona Weber, Hermann Dürr, Wolfgang Eberhardt, Christian Jung, Thomas Blume, Gerd Reichardt, David Batchelor, Kai Godehusen, Martin Knupfer, Stefan Leßny, Lindackers Dirk, Stefan Leger, Ralf Voigtländer, Ronny Schönfelder, che ha concepito il progetto "1-cubo" , progettato, costruito e commissionato la linea di luce e di fine-stazione e fornito supporto organizzativo e degli utenti.
Il progetto "1-cubo ARPES" è stato finanziato dal BMBF borsa di studio "più alta risoluzione ARPES" e direttamente da BESSYII e IFW-Dresda. Questo lavoro particolare è stato sostenuto dal programma prioritario DFG SPP1458, concede ZA 654/1-1, BO1912/3-1 e BO1912/2-2. CE e BPD °ank la Facoltà di Scienze presso l'Università di Johannesburg per il finanziamento di viaggio. AV, RF e MC riconoscere il sostegno della -FP7/2007-2013 dall'UE nell'ambito convenzione di sovvenzione N. 264098 – MAMA.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalogue Number | Comments |
| Single crystals of ZrTe3 and TiSe2 | grown by Dr Helmut Berger, EPFL, Lausanne | ||
| Single crystals of Sr2RuO4 | grown by the group of Dr Antonio Vecchione | ||
| SAMPLES ZrTe3, TiSe2, Sr2RuO4 |
Referências
- Borisenko, S. V. One-Sign Order Parameter in Iron Based Superconductor. Symmetry. 4, 251-264 (2012).
- Maeno, Y., Hashimoto, H., Yoshida, K., Nishizaki, S., Fujita, T., Bednorz, J. G., Lichtenberg, F. Superconductivity in a layered perovskite without copper. Nature (London). 372, 532 (1994).
- Singh, D. J. Relationship of Sr2RuO4 to the superconducting layered cuprates. Phys. Rev. B. 52, 1358 (1995).
- Zabolotnyy, V. B. Surface and bulk electronic structure of the unconventional superconductor Sr2RuO4: unusual splitting of the β band. New Journal of Physics. 14, 63039 (2012).
- Stöwe, K., Wagner, F. Crystal Structure and Calculated Electronic Band Structure of ZrTe3. Journal of Solid State Chemistry. 138, 160-168 (1998).
- Zabolotnyy, V. B. Momentum and temperature dependence of renormalization effects in the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B. 76, 064519 (2007).
- Zabolotnyy, V. B. Disentangling surface and bulk photoemission using circularly polarized light. Phys. Rev. B. 76, 024502 (2007).
- Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Kim, T. K., Nenkov, K. A., Knupfer, M., Fink, J., Golden, M. S., Berger, H., Follath, R. Origin of the Peak-Dip-Hump Line Shape in the Superconducting-State (π,0) Photoemission Spectra of Bi2Sr2CaCu2O8. Phys. Rev. Lett. 89, 077003 (2002).
- Inosov, D. S., Fink, J., Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Schuster, R., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., D?rr, H. A., Eberhardt, W., Hinkov, V., Keimer, B., Berger, H. Momentum and Energy Dependence of the Anomalous High-Energy Dispersion in the Electronic Structure of High Temperature Superconductors. Phys. Rev. Lett. 99, 237002 (2007).
- Inosov, D. S., Schuster, R., Kordyuk, A. A., Fink, J., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Evtushinsky, D. V., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., Berger, H. Excitation energy map of high-energy dispersion anomalies in cuprates. Phys. Rev. B. 77, 212504 (2008).
- Hüfner, S. . Photoelectron Spectroscopy, Principles and Applications. , (1996).
