Méthodes expérimentales de Spin - et Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy combiné avec polarisation Variable Laser

Technique de spectroscopie (ARPES) de photoémission résolue en angle est devenu un des outils plus puissants pour étudier les structures de bande quasi-particules à l’États solide¹. La plupart des caractéristique attrayante d’ARPES est la capacité pour la cartographie de la bande caractériser les États électroniques dans l’espace de l’énergie et l’élan. Spin-résolu ARPES (SARPES), qui est ici équipé de détecteurs de spin, par exemple. Mott détecteur^2,3, plus nous permet de résoudre le personnage de spin des structures observées bande⁴. Étant donné que le détecteur de Mott peut mesurer le spin avec deux axes (x et z, ou y et z), la combinaison des deux détecteurs de Mott plus permet d’obtenir l’orientation du spin en trois dimension^4,5 . Depuis plusieurs décennies, cependant, les expériences SARPES ont souffert de leur faible efficacité (en général par rapport à celle pour la mesure d’ARPES essorage intégré 1/10000)^{3,4,5,6 ,7}, qui avait limité l’énergie et angulaire-résolutions. Récemment, la résolution en énergie SARPES a été augmentée avec un détecteur de spin haut-efficace basé sur la diffusion de change, le soi-disant très basse énergie-diffraction d’électrons (VLEED) détecteur^{7,8,9 ,},¹⁰. Avec ce détecteur, la qualité des données a été considérablement améliorée et le temps d’acquisition de données a été raccourci. Récemment, SARPES a su grandement pour régler la polarisation du spin des États électroniques et en particulier les effets de couplage spin-orbite aboutissant à la texture de la rotation des bandes surface⁷.

Ici, nous utilisons SARPES mesures avec un ultraviolet sous vide de polarisation variable laser lumière (laser-SARPES) et démontrer les grands avantages de cette technique combinée. Par le biais de l’enquête sur les États de surface de spin-orbite couplé en Bi₂Se₃, nous présentons deux fonctionnalités du laser-SARPES. Tout d’abord, en raison de la règle de sélection orbitale des lasers polarisées linéairement dans le régime de transition dipolaire, p– et s-lumières polarisées excitent sélectivement une partie d’eigen-fonctions d’ondes à symétrie orbital différente. Telle une excitation sélective orbitale est ainsi disponible en SARPES, nommément orbitale sélectif SARPES. Deuxièmement, en trois dimensions (3D) spin-détection en SARPES indique la direction de l’axe de rotation quantique et affiche directement les informations complètes de la dépendance de la lumière-polarisation. Dans ce protocole, nous décrivons brièvement une méthodologie pour effectuer cette technique de l’état-of-the-art laser-SARPES pour étudier les effets de couplage spin-orbite forte.

Notre système de laser-SARPES est situé à l’Institut de physique de l’état solide, l’Université de Tokyo,¹¹. Le dessin schématique de notre machine laser-SAPRES est illustré à la Figure 1. La lumière laser de polarisation variable 7-eV¹² illumine la surface de l’échantillon et de photoélectrons sont émis par l’échantillon. La polarisation du laser est contrôlée automatiquement par MgF₂– fonction λ/2 – et λ/4-waveplates à utiliser de façon sélective des polarisations linéaires et circulaires. Un analyseur hémisphérique électron corrige les photoélectrons et analyse leur énergie cinétique (E_kin) et l’angle d’émission (θ_x et _yde la θ). Les intensités de photoélectrons sont mappées sur le E_kin–θ_x écran surveillé par une caméra CCD. Cette image est directement transformée en la structure de bande d’énergie dans l’espace réciproque.

Pour la mesure en SARPES photoélectrons avec un angle d’émission spécifique et de l’énergie cinétique analysés par l’analyseur électronique sont guidés vers deux détecteurs de spin de type VLEED avec un déflecteur de photoélectrons de 90 degrés et les faisceaux de photoélectrons sont concentrent sur deux différentes cibles de Fe(001) – films dep(1 × 1) terminés par l’oxygène. Photoélectrons reflétées par les cibles sont détectés dans la détection monocanal en utilisant un channeltron placé dans chaque détecteur de spin. Les objectifs VLEED peuvent être aimantés avec bobines électriques type Helmholtz, qui sont disposés à géométrie orthogonale par rapport à l’autre. La direction de l’aimantation est contrôlée par la Banque de condensateur bipolaire. Les détecteurs de spin VLEED doubles ainsi nous permettent d’analyser le vecteur rotation de la polarisation de la photoélectronique en trois dimensions.