زاوية التحليل الطيفي إصدار ضوئي في حل درجات الحرارة المنخفضة جدا
Summary
والهدف العام لهذه الطريقة هو تحديد هيكل منخفض الطاقة الالكترونية من المواد الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة جدا باستخدام التحليل الطيفي زاوية-حل مع إصدار ضوئي الإشعاع السنكروتروني.
Abstract
يتم تعريف الخصائص الفيزيائية للمادة من هيكلها الإلكترونية. وتتميز الإلكترونات في المواد الصلبة من الطاقة (ω) والزخم (ك)، واحتمال للعثور عليهم في دولة معينة مع ω معين ويوصف ك بواسطة الدالة الطيفية A. (ك، ω) ويمكن قياس هذه الوظيفة مباشرة في تجربة تعتمد على تأثير الكهروضوئي المعروفة، لتعليل ألبرت أينشتاين الذي حصل على جائزة نوبل في عام 1921. في ضوء التأثير الكهروضوئي أشرق على سطح إخراج الإلكترونات من مادة. وفقا لآينشتاين، والحفاظ على الطاقة يسمح احد لتحديد طاقة الإلكترون داخل العينة، وفرت طاقة الفوتون الضوء والطاقة الحركية للالضوئية الصادرة المعروف و. حفظ الزخم يجعل من الممكن أيضا أن تقدير ك ربطها مؤمنتوم الضوئية من خلال قياس الزاوية التي على اليسار الضوئية السطح. يسمى نسخة حديثة من هذه التقنية زاوية التحليل الطيفي إصدار ضوئي-حل (ARPES) ويستغل كل قوانين الحفظ من أجل تحديد هيكل الالكترونية، أي الطاقة والزخم من الالكترونات داخل الصلبة. من أجل حل حاسم لفهم تفاصيل المشاكل الموضعية للفيزياء المادة المكثفة، وثلاث كميات تحتاج إلى أن يكون الحد الأدنى: * عدم اليقين في طاقة الفوتون، وعدم اليقين في الطاقة الحركية من الالكترونات الضوءيه ودرجة حرارة العينة.
في نهجنا ونحن الجمع بين ثلاثة إنجازات الأخيرة في مجال الإشعاع السنكروتروني العلوم السطح، وفيزياء درجات الحرارة المتدنية. نستخدم السنكروترون الإشعاع مع الانضباطي طاقة الفوتون المساهمة في عدم التيقن من أجل من 1 إلكترون فولت، محلل الطاقة الإلكترون الذي يكتشف الطاقات الحركية مع دقة من أجل من 1 إلكترون فولت ومنذ 3 WH ناظم البردالتراث الثقافي غير المادي يسمح لنا للحفاظ على درجة حرارة العينة أقل من 1 K. نناقش النتائج التي تم الحصول عليها على بلورات نموذجية واحدة من SR-2 RuO 4 و بعض المواد الأخرى. يمكن تحديد التركيب الإلكتروني لهذه المواد مع وضوح لم يسبق لها مثيل.
Introduction
يستخدم بشكل واسع في الوقت الحاضر ARPES لتحديد التركيب الإلكتروني للمواد الصلبة. عادة، يتم تعريف أشكال مختلفة من هذه الطريقة من قبل مصدر الإشعاع اللازمة لإثارة الإلكترونات. نستخدم السنكروترون الإشعاع لأنه يقدم فرصة فريدة لضبط الاستقطاب وطاقة الفوتون الإثارة في مجموعة واسعة الطاقة ويتميز كثافة عالية، عرض النطاق الترددي صغيرة (HN عدم اليقين في الطاقة)، ويمكن أن تركز على حزمة ضيقة لجمع الالكترونات الضوءيه من بقعة من بضع عشرات من ميكرون. يتم إنشاء السنكروترون الإشعاع في حلقات التخزين الإلكترون مما اضطر الإلكترونات تدور في حلقة مع الطاقة من أجل من 2 جيف ** لتمرير من خلال ترتيبات للمغناطيس قوي الدوري (undulators). المجال المغناطيسي ينحرف الإلكترونات الإلكترونات بسرعة وعندما مثل تغيير اتجاهها تنبعث من الإشعاع. بالضبط ثم توجه هذه الإشعاعات إلى ما يسمى beamline حيث monochromatized كذلكمقضب الحيود من قبل، وركزت على سطح العينة بواسطة المرايا عدة. هناك العديد من هذه المرافق في جميع أنحاء العالم. يوجد لدينا محطة نهاية في واحد من beamlines من الحلبة التخزين بيسي الذي ينتمي إلى برلين هيلمهولتز-ZENTRUM.
قلب هذا المرفق ARPES هو محلل الطاقة الإلكترون (الشكل 1). منذ ونحن مهتمون في مجال الطاقة على حد سواء الحركية والزاوية التي تترك الإلكترونات السطح، وأنها مريحة جدا لكشفها في واحدة القياس. مبدأ بسيط جدا يجعل هذا النهج إلى واقع. كما هو الحال في التجربة الأساسية مع عدسة بصرية، والذي يركز موجة الطائرة في نقطة في المستوى البؤري الخلفي أداء بالتالي المكانية فورييه التحول، الإلكترون البصرية عدسة مشاريع الإلكترونات التي تترك السطح في زاوية خاصة لنقطة في المستوى البؤري ( الشكل 1). في مثل هذه الطريقة ونحن الحصول على الزخم، أي المعاملة بالمثل، والفضاء. وdistanم من الاتجاه إلى الأمام في المستوى البؤري يتوافق مع زاوية وبالتالي على زخم الضوئية. الآن يجب أن تكون الإلكترونات تحليل من حيث الطاقة. لهذا الغرض يتم وضع فتحة مدخل محلل نصف كروية تماما في المستوى البؤري للعدسة البصرية الإلكترون. ويتم اختيار الفولتية على نصفين بحيث سيتم توجيه الإلكترونات فقط مع الطاقة الحركية معين (تمرير الطاقة) بالضبط في منتصف نصفين والأرض على خط وسط لكشف ثنائية الأبعاد. وتلك التي هي أسرع ضرب كاشف أقرب إلى نصف الكرة الخارجي، وسيتم نحيد تلك التي تكون أبطأ نحو نصف الكرة الداخلية. في مثل هذه الطريقة يمكن أن نحصل على توزيع كثافة إصدار ضوئي بوصفها وظيفة من الطاقة الحركية وزاوية في وقت واحد.
والميزة الرئيسية لنهجنا القائم على الطرق هو استخدام cryomanipulator 3 و. هناك سببين على الأقل لتنفيذ أوور القياسات في درجات الحرارة المنخفضة. وارتفاع درجة حرارة المواد، وأكثر من طخت الولايات الإلكترونية أصبحت في الطاقة والزخم. لتحديد التركيب الإلكتروني مع دقة عالية درجة الحرارة هذه لابد من توسيع تجنبها. أيضا، العديد من الخصائص الفيزيائية تعتمد درجة الحرارة، وبعض الظواهر المحددة في ترتيب في درجات الحرارة المنخفضة ومعرفة التركيب الإلكتروني في الحالة الأرضية للنظام، أي في T = 0، تعتبر ذات أهمية جوهرية. واحدة من أكثر الطرق فعالية لتهدئة العينة وصولا الى أعشار من كلفن هو لتسييل الغاز منذ 3. في العديد من التجارب التوصل إلى شبه كلفن درجة الحرارة ليست مشكلة، لأن الإشعاع الحراري، العدو الرئيسي للدرجات الحرارة المنخفضة جدا، ويمكن محمية على نحو فعال. للأسف، هذا ليس هو الحال في تجارب إصدار ضوئي. نحن بحاجة إلى توفير حرية الوصول للضوء واردة والإلكترونات الصادرة. ويتحقق ذلك من خلال الشقوق المصممة خصيصا في ثلاثة راdiation الدروع، وجود درجات حرارة مختلفة. من أجل التعويض عن الحمل الحراري الناجم عن شعاع الفوتون والإشعاع درجة حرارة الغرفة، وينبغي أن قوة التبريد للناظم البرد تكون عالية جدا. ويتحقق ذلك من خلال سرعة كبيرة جدا ضخ مضختين التي تقلل من ضغط البخار فوق السائل و3، وبالتالي تبريد الاصبع الباردة والعينة. مواصفات تصميم النظام لدينا 3 وجعله في مختلف أنحاء العالم أقوى. ربما يكون المكان الوحيد على وجه الأرض حيث يمكن مشاهدة سطح 1 K الباردة من خلال نافذة غرفة درجة الحرارة، و"أبرد مرئية".
يظهر رسم لإصدار ضوئي التجربة الحديثة في الشكل 1. شعاع السنكروترون (متقطع الخط الأخضر) تضيء سطح 1 K الباردة من العينة والالكترونات الضوءيه يثير. ومن المتوقع أن الإلكترونات إلى فتحة مدخل محلل نصف كروي، مرتبة من حيث زاوية (الأصفر والأرجواني والسماوي آثار تتوافق مع احويتم تحليل زوايا الخيمة NT) ثم من حيث الطاقة الحركية. ويبين الشكل 2 توزيع كثافة نموذجية بوصفها وظيفة من زاوية الخيمة والطاقة الحركية. ومن المتوقع بالفعل مثل هذا التوزيع كثافة والمقارنة مع هيكل الحسابات عصابة من هذه المواد تظهر (اللوحة اليمنى). هذا هو نافذتنا إلى الفضاء متبادلة.
عن طريق المسح الضوئي الفولتية على العدسة ونصفي الكرة الأرضية وتدوير العينة حول محور عمودي (زاوية القطبية) يمكننا استكشاف واسعة النطاق طاقة الربط وكذلك مناطق واسعة من الفضاء متبادلة مع التفاصيل لم يسبق لها مثيل. على وجه الخصوص، بالتآمر كثافة على مستوى فيرمي بوصفها وظيفة من كل مكونات الزخم في الطائرة، وتحسب من زوايا الخيمة والقطبية، لدينا إمكانية الوصول المباشر إلى سطح فيرمي (FS).
* تحت عنوان "عدم اليقين" نحن نفهم أفضل تقدير المجرب لمدى كمية تجريبية قد يكون من الصحيح "قيمة ".
ويمكن للخاتم ** المنخفضة الطاقة لديها طاقة من 0.8 ~ جيف، واحدة ذات الطاقة العالية – ما يصل إلى 8 جيف.
Protocol
Representative Results
Discussion
كما هو مبين أعلاه، وطريقة تنفيذ فعال جدا في دراسة هيكل منخفض الطاقة الالكترونية من هذه البلورات. حولت التحسينات الأخيرة دور فعال ARPES من مجرد توصيف ورسم الخرائط أداة النطاق الطيفي في العديد من الجسم متطورة. A التجربة الحديثة يتضمن معلومات عن هيكل الالكترونية من المواد…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نحن نعترف بامتنان مساعدة من Follath رولف، Hübel رولاند، مولر K.، Inosov دميترو، فينك يورغ، Koitzsch أندرياس، بوخنر بيرند، Varykhalov اندريه اميل Rienks، أوليفر ريدر، Thirupathaiah Setti، Vyalikh دينيس، سيرغي Molodtsov، Laubschat كليمنس، رامونا ويبر، هيرمان الدر، إيبرهارت فولفغانغ يونج المسيحية، بلوم توماس، Reichardt جيرد، باتشيلور ديفيد، Godehusen كاي، Knupfer مارتن، Leßny ستيفان، Lindackers ديرك، ليجيه ستيفان، Voigtländer رالف، Schönfelder روني، الذي ابتكر "1-مكعبة" مشروع وتصميمها وبناؤها وكلف beamline ومحطة نهاية، فضلا عن توفير الدعم التنظيمي والمستخدم.
مشروع "1-مكعبة ARPES" تم بتمويل من منحة BMBF "ARPES أعلى دقة"، وكذلك مباشرة من قبل BESSYII وIFW دريسدن. وأيد هذا العمل من قبل برنامج معين الأولوية DFG SPP1458، يمنح ZA 654/1-1، وBO1912/3-1 BO1912/2-2. EC وال BPDعنخ كلية العلوم في جامعة جوهانسبرغ للتمويل السفر. AV، RF وMC الاعتراف بدعم من الاتحاد الأوروبي في إطار اتفاق -FP7/2007-2013 منحة 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 |
References
- 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).
