Métodos experimentales para el giro y ángulo resuelto fotoemisión espectroscopia combinan con láser de polarización Variable
Summary
Aquí combinamos polarización variable 7-eV láser con giro y ángulo resuelto fotoemisión técnica de visualizar el efecto de acoplamiento spin-orbital en Estados sólidos.
Abstract
El objetivo de este protocolo es presentar cómo realizar espectroscopía de fotoemisión giro y ángulo resuelto combinado con polarización variable 7-eV laser (láser-SARPES) y demostrar una potencia de esta técnica para estudiar la física del estado sólido. Láser-SARPES logra dos grandes capacidades. En primer lugar, mediante el examen de regla de selección orbitales de láser linealmente polarizado, orbital excitación selectiva puede realizarse en SAPRES experimento. En segundo lugar, la técnica puede mostrar toda la información de una variación del eje cuántico spin en función de la polarización de la luz. Para demostrar el poder de la colaboración de estas capacidades en láser-SARPES, aplicamos esta técnica para las investigaciones de los Estados superficiales spin-órbita juntada de Bi2Se3. Esta técnica permite descomponer los componentes spin y orbital de los wavefunctions del hacer girar-órbita juntada. Por otra parte, como una ventaja representativa del uso de la detección directa de vuelta colaboró con el láser de polarización variable, la técnica visualiza claramente la dependencia de la polarización de la luz del eje cuántico spin en tres dimensiones. Láser-SARPES aumenta dramáticamente la capacidad técnica de la fotoemisión.
Introduction
Técnica de ángulo resuelto fotoemisión (ARPES) la espectroscopia se ha convertido en una de las herramientas más poderosas para investigar las estructuras de banda quasiparticle en Estados sólido1. El máximo atractivo de ARPES es la capacidad para la asignación de la banda caracterizar los Estados electrónicos en el espacio de energía e impulso. Spin-resolved ARPES (SARPES), que aquí está equipado con detectores de spin, por ejemplo. Mott detector2,3, además permite resolver el carácter de vuelta de la banda observada estructuras4. Puesto que el detector de Mott puede medir el giro de dos ejes (x y zo y y z), la combinación de los dos detectores de Mott además permite obtener la orientación de vuelta en tres dimensiones4,5 . Desde hace varias décadas, sin embargo, los experimentos SARPES se sufrieron de su baja eficiencia (típicamente 1/10000 en comparación con la medición ARPES integrado spin)3,4,5,6 ,7, que había limitado la energía y la resolución angular. Recientemente, se ha aumentado la resolución de la energía de SARPES con un detector de giro de alta eficiencia basado en dispersión de intercambio, el supuesto bajo consumo-difracción de electrones (VLEED) detector7,8,9 ,10. Con este detector ha mejorado significativamente la calidad de los datos y se ha acortado el tiempo de adquisición de datos. Recientemente, SARPES ha logrado mucho para polarización de spin electrónicos Estados y sobre todo efecto de acoplamiento spin-órbita resultante en la textura de la vuelta de la superficie bandas7.
Aquí empleamos SARPES medidas con una polarización variable vacío Ultravioleta luz (laser-SARPES) laser y demostrar las grandes ventajas de esta técnica combinada. A través de la investigación en los Estados de spin-órbita juntada superficial Bi2Se3, presentamos dos capacidades de láser SARPES. En primer lugar, debido a la regla de selección orbitales de láser linealmente polarizada en el régimen de transición de dipolo, p– y s-polarizadas luces excitan selectivamente una parte de eigen-wavefunctions con diferente simetría orbital. Una excitación selectiva tal orbital hay así SARPES, es decir, orbitales selectivo SARPES. En segundo lugar, tridimensional (3D) de detección de vuelta en SARPES muestra la dirección del eje cuántico spin y directamente toda la información de la dependencia de la polarización de la luz. En este protocolo, se describe brevemente una metodología para realizar esta técnica de vanguardia láser-SARPES para estudiar los efectos de acoplamiento fuerte hacer girar-órbita.
Nuestro sistema láser SARPES se encuentra en el Instituto de física del estado sólido, la Universidad de Tokio11. El dibujo esquemático de nuestra máquina láser SAPRES se muestra en la figura 1. La luz láser de polarización variable de 7-eV12 se ilumina la superficie de la muestra y los fotoelectrones son emitidos de la muestra. La polarización del láser es controlada automáticamente por MgF2– base λ/2 – y λ/4-waveplates selectivamente utilizar polarizaciones lineales y circulares. Un analizador de electrones hemisférico corrige los fotoelectrones y analiza su energía cinética (Ekin) y el ángulo de emisión (θx y θy). Las intensidades del fotoelectrón se asignan en el Ekin–θx pantalla monitoreada por una cámara CCD. Esta imagen se transforma directamente en la estructura de la banda de energía en el espacio recíproco.
Para la medición SARPES los fotoelectrones con un ángulo de emisión específica y energía cinética analizada por el analizador de electrones son guiados a dos detectores de giro tipo VLEED con una desviación de 90 grados del fotoelectrón y las vigas del fotoelectrón se centran en dos objetivos diferentes de Fe(001) –p(1 × 1) las películas terminadas por el oxígeno. Los fotoelectrones reflejados los objetivos se detectan en la detección de solo canal utilizando un channeltron colocado en cada detector de giro. Los objetivos de la VLEED pueden ser magnetizados con bobinas eléctricas tipo Helmholtz que se arreglan con geometría ortogonal con respecto a ellos. La dirección de magnetización es controlada por el Banco de condensador bipolar. Los detectores de giro doble de VLEED tal modo nos permiten analizar el vector polarización de spin del fotoelectrón en tres dimensiones.
Protocol
Representative Results
Discussion
ARPES y SARPES técnicas se han utilizado comúnmente para el estudio de las estructuras de la banda electrónica a través de la asignación de la banda y spin-detección1,2. Además de estas ventajas generales indicadas, laser-SARPES basado en regla de selección orbital en la excitación óptica dipolo puede ser empleada como una nueva técnica para visualizar el efecto de acoplamiento spin-orbital en el wavefunction y quantum interferencia de vuelta . Como se…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a M. Nakayama, Toyohisa S., A. Fukushima y Y. Ishida para apoya a la instalación experimental. Agradecemos financiamiento desde la JSP Grantin-ayuda para la investigación científica (B) a través del proyecto núm. 26287061 y para jóvenes científicos (B) a través del proyecto Nº 15K 17675. Este trabajo fue apoyado también por el MEXT de Japón (innovadora área “ciencia topológica de los materiales,” concesión Nº 16 H 00979) y 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 |
Referências
- Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -. X. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors. Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).
- Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -. G., Kakizaki, A. A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency. Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).
- Dil, J. H. Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems. J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001 (2009).
- Hoesch, M., et al. Spin-polarized Fermi surface mapping. J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).
- Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector. Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101 (2010).
- Okuda, T., Kimura, A. Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002 (2013).
- Okuda, T., et al. A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution. Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117 (2008).
- Jozwiak, C., et al. A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry. Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904 (2010).
- Okuda, T., et al. Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center. Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302 (2011).
- Yaji, K., et al. High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light. Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111 (2016).
- Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy. J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001 (2015).
- Augustine, S., Mathai, E. Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals. Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).
- Hasan, M. Z., Kane, C. L. Colloquium: Topological insulators. Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).
- Ando, Y. Topological insulator materials. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011 (2013).
- Zhang, H., Liu, C. -. X., Qi, X. -. L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -. C. Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface. Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).
- Cao, Y., et al. Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators. Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).
- Zhang, H., Liu, C. -. X., Zhang, S. -. C. Spin-orbital texture in topological insulators. Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801 (2013).
- Kuroda, K., et al. Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3. Phys. Rev. B. 94 (16), 165162 (2016).
- Meier, F., et al. Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys. J Phys-Condens Mat. 23 (7), 072207 (2011).
- Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature. J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).
- Yaji, K., et al. Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states. Nature Commun. 8, 14588 (2017).
- Noguchi, R., et al. Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states. Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R) (2017).
