Hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie bij ultralage temperaturen

Tegenwoordig ARPES wordt veel gebruikt om de elektronische structuur van vaste stoffen te bepalen. Meestal zijn verschillende varianten van deze methode die door de bron van de straling die nodig is om de elektronen te exciteren. We gebruiken synchrotronstraling aangezien het een unieke gelegenheid om de polarisatie en de excitatie foton energie afstemmen op een wijd energiebereik en wordt gekenmerkt door hoge intensiteit, kleine bandbreedte (onzekerheid in energie hn) en kan worden gericht op een smalle bundel te verzamelen foto-elektronen van een vlek van enkele tientallen microns. Synchrotronstraling wordt gegenereerd in electron opslagringen dwingen elektronen circuleren in de ring met een energie van de orde van 2 GeV ** passeren periodieke wijze van sterke magneten (undulators). Het magnetische veld buigt de elektronen en wanneer deze snelle elektronen hun richting te veranderen die ze uitstoten straling. Precies deze straling wordt dan in de zogenaamde bundellijn waar het verder wordt monochromatizedeen diffraktieraster en gericht op het oppervlak van het monster door verschillende spiegels. Er zijn veel van dergelijke faciliteiten over de hele wereld. Het eindstation ligt aan een van de bundellijnen van de BESSY opslagring die behoort tot de Helmholtz-Zentrum Berlin.

Het hart van deze ARPES faciliteit is de elektronen-energie analysator (figuur 1). Omdat we geïnteresseerd in zowel de kinetische energie en de hoek waarmee elektronen geven het oppervlak, is het handig om ze op een meting. Een zeer eenvoudige principe maakt deze aanpak een realiteit. Als in een eenvoudige experiment met een optische lens die een vlakke golf zich in een punt van de rug brandvlak aldus uitvoeren ruimtelijke Fourier transformatie, de optische lens projecten elektronen die het oppervlak over voor bepaalde hoek naar een punt in het brandvlak ( figuur 1). Op die manier krijgen we toegang tot de wederzijdse, dat wil zeggen momentum, de ruimte. De distance van de voorwaartse richting in het brandvlak overeenkomt met de hoek en dus de impuls van het foto-elektron. Nu de elektronen worden geanalyseerd in termen van energie. Hiertoe de ingangsspleet van de halfbolvormige analysator wordt precies in het brandvlak van de optische lens. Spanningen op twee hersenhelften worden zodanig gekozen dat slechts elektronen met bepaalde kinetische energie (beweeg de energie) zal precies worden geleid in het midden van twee hersenhelften en land op de centrale lijn van de twee dimensionale detector. Die die sneller zal raken de detector dichter bij de buitenste halfrond: die welke langzamer zal worden afgebogen in de richting van de binnenste halfrond. Zodanig kunnen we de fotoemissie intensiteitsverdeling als functie van de hoek en kinetische energie tegelijk.

Het belangrijkste voordeel van onze werkwijze boven bestaande methoden is het gebruik van de He cryomanipulator ^3. Er zijn minstens twee redenen ou voerent metingen bij lage temperaturen. Hoe hoger de temperatuur van het materiaal, hoe uitgesmeerd de elektronische toestanden worden in energie en momentum. De elektronische structuur met hoge precisie deze temperatuur verbreding moet worden vermeden bepalen. Ook veel fysische eigenschappen zijn afhankelijk van de temperatuur, wat het bestellen van verschijnselen in bij lage temperaturen en de kennis van de elektronische structuur van de grondtoestand van het systeem, dat wil zeggen bij T = 0, is van fundamenteel belang. Een van de meest effectieve manieren om af te koelen van het monster tot op tienden van een Kelvin is om vloeibaar te maken Hij ³ gas. In veel experimenten bereiken van sub-Kelvin temperaturen is geen probleem, want thermische straling, de belangrijkste vijand van ultra-lage temperaturen, effectief kan worden afgeschermd. Helaas is dit niet het geval fotoemissie experimenten. We moeten de vrije toegang van het binnenkomende licht en uitgaande elektronen te bieden. Dit wordt gerealiseerd door speciaal spleten in drie ramediatie schilden met verschillende temperaturen. Ter compensatie van de warmtebelasting door de fotonenstralen en kamertemperatuur straling moet het koelvermogen van de cryostaat zeer hoog. Dit wordt bereikt door de grote pompsnelheid van twee pompen die de dampspanning boven de vloeistof Hij ³ verminderen, waardoor het afkoelen van de koudevinger en monster. De specificaties van het ontwerp van onze Hij ^3-systeem maken het de meest krachtige ter wereld. Het is misschien wel de enige plek op de planeet waar men een 1 K koud oppervlak te zien door een kamertemperatuur venster, de "koudste zichtbaar".

De schets van de moderne fotoemissie experiment wordt getoond in figuur 1. De synchrotron balk (groene stippellijn) verlicht de 1 K koude oppervlak van het monster en prikkelt foto-elektronen. Elektronen worden geprojecteerd naar de ingangsspleet van de halfronde analysator, gesorteerd in termen van hoek (geel, magenta en cyaan sporen overeenkomen met verschillemnt helling) en geanalyseerd in termen van kinetische energie. Figuur 2 toont de typische intensiteitsverdeling als functie van de hellingshoek en kinetische energie. Een dergelijke intensiteitsverdeling Verwacht wordt immers de vergelijking met bandstructuur berekeningen van dit materiaal blijkt (rechter paneel). Dit is ons raam in de reciproke ruimte.

Door het scannen van spanningen op de lens en hemisferen en draaien van de monsters om de verticale as (polaire hoek) kunnen we verkennen het brede bindingsenergie assortiment en een wijds regio's van de reciproke ruimte met ongekende details. Met name plotten intensiteit op Fermi niveau als functie van beide componenten van de in-plane momentum waarmede tilt en polaire hoeken, we hebben direct toegang tot het Fermi oppervlak (FS).

* Onder "onzekerheid" verstaan ​​we de experimentator de beste schatting van hoe ver een experimentele hoeveelheid zou kunnen zijn van de "warewaarde. "

** De lage-energie ring kan een energie van ~ 0,8 GeV, de hoge-energie een – tot 8 GeV.