De ángulo resuelto espectroscopia de fotoemisión a bajas temperaturas
Summary
El objetivo general de este método es determinar la estructura electrónica de baja energía de los sólidos a bajas temperaturas utilizando Ángulo de resolverse la espectroscopia de fotoemisión con radiación sincrotrón.
Abstract
Las propiedades físicas de un material se define por su estructura electrónica. Los electrones en sólidos se caracterizan por la energía (ω) y el impulso (k) y la probabilidad de encontrar en un estado particular con ω dada y k es descrita por la función espectral A. (K, ω) Esta función se puede medir directamente en un experimento basado en el efecto fotoeléctrico bien conocido, para la explicación de que Albert Einstein recibió el Premio Nobel en 1921. En el efecto fotoeléctrico, la luz brilló sobre una superficie expulsa electrones del material. Según Einstein, la conservación de energía permite determinar la energía de un electrón dentro de la muestra, a condición de que la energía de los fotones de luz y la energía cinética de la salida de fotoelectrones son conocidos. La conservación del momento hace que sea posible estimar k relativo a la Momentum de la fotoelectrones midiendo el ángulo en el que la dejó la superficie de fotoelectrones. La versión moderna de esta técnica se conoce como espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) y explota dos leyes de conservación con el fin de determinar la estructura electrónica, es decir, energía y cantidad de movimiento de los electrones dentro del sólido. Con el fin de resolver los detalles cruciales para la comprensión de los problemas actuales de la física de la materia condensada, tres cantidades deben ser minimizados: * incertidumbre en la energía fotónica, la incertidumbre en la energía cinética de los fotoelectrones y la temperatura de la muestra.
En nuestro enfoque se conjugan tres logros recientes en el campo de radiación sincrotrón ciencia de superficies, y criogenia. Usamos la radiación de sincrotrón con energía fotónica sintonizable contribuir una incertidumbre del orden de 1 MeV, un analizador de energía de electrones que detecta las energías cinéticas con una precisión del orden de 1 MeV y un 3 wh Él criostatoich nos permite mantener la temperatura de la muestra por debajo de 1 K. Se discuten los resultados ejemplares obtenidos en monocristales de Sr 2 RuO 4 y otros materiales. La estructura electrónica de este material puede ser determinada con una claridad sin precedentes.
Introduction
Hoy en día ARPES es ampliamente utilizado para determinar la estructura electrónica de los sólidos. Por lo general, diferentes variaciones de este método se definen por la fuente de la radiación necesaria para excitar los electrones. Usamos la radiación de sincrotrón, ya que ofrece una oportunidad única para sintonizar la polarización y la energía de excitación de fotones en una amplia gama energética y se caracteriza por la alta intensidad, ancho de banda pequeño (incertidumbre en energía hn) y puede ser enfocado a un haz estrecho para recoger fotoelectrones desde un lugar de unas pocas decenas de micras. La radiación sincrotrón se genera en los anillos de almacenamiento de electrones forzando electrones que circulan en el anillo con una energía del orden de 2 GeV ** para pasar a través de acuerdos periódicos de imanes fuertes (onduladores). El campo magnético desvía los electrones y cuando dichos electrones rápidos cambiar su dirección emiten radiación. Exactamente esta radiación se dirige entonces a la línea de luz así llamado, donde se vuelve monocromatizadapor una rejilla de difracción y enfocada sobre la superficie de la muestra por varios espejos. Hay muchas instalaciones de este tipo en todo el mundo. Nuestra estación final está situado en una de las líneas de luz del anillo de almacenamiento BESSY que pertenece a la Berlín Helmholtz-Zentrum.
El corazón de esta instalación ARPES es el analizador de energía de electrones (Figura 1). Dado que estamos interesados en tanto la energía cinética y el ángulo en el que los electrones abandonan la superficie, que es muy conveniente para detectar en una sola medición. Un principio muy simple hace que este enfoque sea una realidad. Como en un experimento básico con una lente óptica, que se centra una onda plana en el punto en el plano focal posterior realizando así la transformación de Fourier espacial, los electrones proyectos ópticas de lentes electrones que dejan la superficie en ángulo en particular a un punto en el plano focal ( Figura 1). De tal manera que el acceso a la dinámica recíproca, es decir, el espacio. La distance desde la dirección hacia adelante en el plano focal corresponde al ángulo y por lo tanto para el impulso de la fotoelectrones. Ahora los electrones tienen que ser analizados en términos de energía. Para ello, la rendija de entrada del analizador hemisférico está colocado exactamente en el plano focal de la lente óptica de electrones. Voltajes en dos hemisferios se eligen de manera que sólo los electrones con una energía cinética determinada (pasa energía) serán guiados exactamente en el medio de los dos hemisferios y la tierra en la línea central del detector de dos dimensiones. Aquellos que son más rápidas llegará al detector más cercano al hemisferio exterior; aquellos que son más lentos serán desviados hacia el hemisferio interno. De tal manera se puede obtener la distribución de la intensidad de fotoemisión como una función de la energía cinética y ángulo simultáneamente.
La principal ventaja de nuestro enfoque sobre los métodos existentes es el uso de la 3 Se cryomanipulator. Hay al menos dos razones para llevar a out las mediciones a bajas temperaturas. Cuanto mayor sea la temperatura del material, el más borrosa los estados electrónicos se convierten en energía y el momento. Para determinar la estructura electrónica con alta precisión esta temperatura ampliación tiene que ser evitado. Asimismo, muchas propiedades físicas dependen de la temperatura, algunos fenómenos orden establecido en a bajas temperaturas y el conocimiento de la estructura electrónica en el estado fundamental del sistema, es decir, a T = 0, es de importancia fundamental. Una de las maneras más efectivas para enfriar la muestra hasta décimas de grados Kelvin es Él licuar gas 3. En muchos experimentos que alcanzan temperaturas sub-Kelvin no es un problema, ya que la radiación térmica, el principal enemigo de ultra-bajas temperaturas, pueden ser efectivamente protegidos. Por desgracia, este no es el caso en experimentos de fotoemisión. Tenemos que facilitar el libre acceso de la luz entrante y los electrones salientes. Esto se realiza por ranuras especialmente diseñadas en tres raescudos mediación, que tienen diferentes temperaturas. Con el fin de compensar la carga de calor causado por el haz de fotones y radiación a temperatura ambiente, la potencia de refrigeración del criostato debe ser muy alta. Esto se consigue mediante la velocidad de bombeo muy grande de dos bombas que reducen la presión de vapor por encima del líquido Él 3, enfriando así el dedo frío y la muestra. Las especificaciones de diseño de nuestro sistema de 3 Él lo convierten en el más poderoso de todo el mundo. Es tal vez el único lugar del planeta donde se puede ver una superficie fría 1 K a través de una ventana de la temperatura ambiente, la "fría visible".
El bosquejo de la fotoemisión experimento moderno se muestra en la figura 1. El haz sincrotrón (discontinua línea verde) se ilumina la superficie fría 1 K de la muestra y fotoelectrones excita. Los electrones se prevé que la rendija de entrada del analizador hemisférico, ordenados en términos de ángulo (trazas amarillo, magenta y cian corresponden a difereángulos de inclinación nt) y después se analizan en términos de energía cinética. Figura 2 muestra la distribución de la intensidad típica como una función del ángulo de inclinación y la energía cinética. Tal una distribución de intensidad realidad, se espera que la comparación con los cálculos de estructura de banda de este material muestra (panel derecho). Esta es nuestra ventana al espacio recíproco.
Mediante la exploración de tensiones en la lente y de los hemisferios y la rotación de la muestra alrededor del eje vertical (ángulo polar) se puede explorar la amplia gama de energía de unión, así como amplias regiones del espacio recíproco con detalle sin precedentes. En particular, el trazado de la intensidad en el nivel de Fermi en función de ambos componentes del momento en el plano, calculada a partir de los ángulos de inclinación y polar, que tiene acceso directo a la superficie de Fermi (FS).
* En "incertidumbre" entendemos mejor estimación del experimentador de lo lejos una cantidad experimental podría ser de la verdad "valor ".
** El anillo de baja energía puede tener una energía de ~ 0,8 GeV, el de alta energía – hasta 8 GeV.
Protocol
Representative Results
Discussion
Como se muestra anteriormente, el método implementado es muy eficiente en el estudio de la estructura electrónica de baja energía de los cristales individuales. Recientes mejoras instrumentales han convertido ARPES de una simple y una herramienta de mapeo de banda en una sofisticada muchos cuerpos espectroscopia. Un experimento moderno proporciona información acerca de la estructura electrónica de un sólido o un objeto de nano-con un nuevo nivel de precisión. El acceso a la superficie de Fermi en el caso de un me…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos la ayuda de Rolf Follath, Hübel Roland, Möhler K., Inosov Dmytro, Fink Jörg, Koitzsch Andreas, Büchner Bernd, Varykhalov Andrei, Rienks Emile, Rader Oliver, Thirupathaiah Setti, Vyalikh Denis, Molodtsov Sergey, Laubschat Clemens, Ramona Weber, Hermann Dürr, Eberhardt Wolfgang Jung Christian, Blume Thomas, Gerd Reichardt, Batchelor David, Godehusen Kai, Knüpfer Martin, Leßny Stefan, Lindackers Dirk, Leger Stefan, Voigtländer Ralf, Schönfelder Ronny, que concibió el "1-cubo" proyecto , diseñado, construido y puesto en servicio la línea de luz y final estación, así como apoyo organizativo y el usuario.
El proyecto "1-cubo ARPES" ha sido financiado por el BMBF subvención "ARPES alta resolución", así como directamente por BESSYII y IFW Dresden-. Esta obra en particular fue apoyada por el programa prioritario DFG SPP1458, otorga ZA 654/1-1, BO1912/3-1 y BO1912/2-2. CE y th BPDANK la Facultad de Ciencias de la Universidad de Johannesburgo para la financiación de viajes. AV, RF y MC reconocer el apoyo de la UE en el marco -FP7/2007-2013 acuerdo de subvención 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
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