Ultra-düşük sıcaklıklarda Açı çözüldü Photoemission Spektroskopi
Summary
Bu yöntem genel amacı, sinkrotron radyasyon ile açı-ayrıştırıcı fotoemisyon spektroskopisi kullanılarak ultra-düşük sıcaklıklarda katı olan düşük enerjili elektronik yapı belirlemektir.
Abstract
Bir malzemenin fiziksel özellikleri kendi elektronik yapı ile tanımlanır. Katılarda Elektronlar enerji (ω) ve momentum (k) ve verilen ω ve k belirli bir devlet onları bulmak için olasılık ile karakterizedir spektral fonksiyonu tarafından açıklanan A (k, ω). Bu işlev, doğrudan Albert Einstein 1921 yılında tekrar Nobel ödülünü aldı hangi açıklaması için, tanınmış fotoelektrik etkisi üzerine bir deney olarak ölçülebilir. Fotoelektrik etki ise hafif bir yüzey üzerinde parlıyordu malzemedeki elektronlar çıkarır. Einstein göre, enerjinin korunumu, bir numune içinde bir elektronun enerji tespit edilmesini sağlayan ışık foton ve kinetik giden fotoelektron enerji bilinen enerji sağlanır. Momentum korunumu momen için ilgili k tahmin etmek de mümkün kılarfotoelektron yüzeyde kalan açıyı ölçerek fotoelektron ve tum. Bu tekniğin modern versiyonu Açı Çözülmüş Photoemission Spektroskopisi (ARPES) denilen ve elektronik yapısını belirlemek amacıyla hem korunum kanunları yararlanan, yani enerji ve katı içindeki elektronların ivme. Yoğun madde fiziği topikal sorunları anlamak için çok önemlidir ayrıntıları çözmek için, üç miktarları minimize edilmesi gerekir: foton enerjisi belirsizlik *, fotoelektronların ve numunenin sıcaklık kinetik enerji belirsizlik.
Bizim yaklaşım biz sinkrotron ışınımı, yüzey bilimi ve soğubilim alanında üç yeni başarılar birleştirir. Biz ayarlanabilir foton enerjisi 1 MeV, 1 MeV sırasını bir hassasiyetle kinetik enerjileri algılar bir elektron enerji analizörü ve O 3 kriyostat wh düzenin bir belirsizlik katkı ile sinkrotron radyasyon kullanmakich Bizi Biz Sr 2 RUO 4 ve diğer bazı malzemelerin tek kristaller elde örnek sonuçlarını tartışmak 1 K. Aşağıdaki örnek sıcaklığı tutmak için izin verir. Bu malzemenin elektronik yapı görülmemiş bir açıklık ile tespit edilebilir.
Introduction
Günümüzde yaygın olarak ARPES katıların elektronik yapısını belirlemek için kullanılır. Genellikle, bu yöntemin çeşitli varyasyonları, elektronların uyarmak için gerekli olan radyasyon kaynağı ile tanımlanır. Biz geniş bir enerji aralığında kutuplaşma ve uyarılma foton enerjisi ayarlamak için eşsiz bir fırsat sunuyor ve yüksek yoğunluklu, düşük bant genişliği (enerji hn belirsizlik) ile karakterize olduğundan sinkrotron radyasyon kullanmak ve bunu toplamak için dar bir ışın odaklı olabilir mikron birkaç on bir nokta fotoelektronların. Sinkrotron ışınımı 2 GeV düzenin bir enerji ile ringde dolaşan elektronların güçlü mıknatıslar (undulators) periyodik düzenlemeler geçmesine ** zorlayarak elektron depolama halkaları oluşturulur. Manyetik alan elektronların saptırır ve böyle hızlı elektronlar yönünü değiştirmek zaman radyasyon yayarlar. Tam olarak bu radyasyon daha sonra daha ileri bir monochromatized adlandırılan beamline içine yönlendirilirbir kırınım ağı ile ve çeşitli ayna tarafından numune yüzey üzerinde duruldu. Dünya çapında birçok tür tesisler vardır. Bizim uç istasyon Helmholtz-Zentrum Berlin ait BESSY depolama halka beamlines birinde yer alır.
Bu ARPES tesisin kalbi elektron enerji analizörü (Şekil 1). Biz elektronlar yüzeye bırakın hangi kinetik enerji ve açı hem de ilgilenen bu yana, tek bir ölçüm bunları algılamak için çok uygundur. Çok basit bir prensip bu yaklaşım bir gerçeklik ortaya koyuyor. Böylece mekansal Fourier dönüşümü, odak düzlemi bir noktaya belirli bir açıyla yüzeye bırakılan elektron optik lens projeleri elektronlar (gerçekleştirirken arka odak düzlemi noktasını bir düzlem dalga odaklanan bir optik lens, temel bir deneyde olduğu gibi Şekil 1). Böyle bir şekilde biz karşılıklı, yani hız, uzay erişmek. Distanodak düzlemi içinde ileri bir yönden ce açı ile ve böylece fotoelektron momentumu karşılık gelir. Şimdi elektronların enerji açısından analiz edilmesi gerekir. Bu amaç için yarı küresel analizörü giriş açıklığının elektron optik merceğin odak düzlemi içinde tam olarak yerleştirilir. Iki yarısının üzerindeki voltajı belirli kinetik enerjisi (enerji geçmek) ile yalnız elektron iki yarısının ve iki boyutlu detektör merkez hattı üzerinde toprak ortasında tam olarak tayin edilecektir ki bu tür tercih edilir. Daha hızlı edilenler de daha yakın dış yarımküre için detektör vurur; yavaştır ki, bu iç yarımküre doğru saptırılır olacaktır. Böyle bir şekilde eş zamanlı açı ve kinetik enerjinin bir fonksiyonu olarak fotoemisyon yoğunluk dağılımını elde olabilir.
Mevcut yöntemler üzerinde bizim yaklaşımın ana avantajı O 3 cryomanipulator kullanılmasıdır. Ou taşımak için en az iki nedeni vardırt düşük sıcaklıklarda ölçümler. Malzemenin yüksek sıcaklık, enerji ve momentum olmak elektronik durumları dışarı daha lekeli. Genişletilmesi Bu sıcaklık kaçınılmalıdır yüksek hassasiyette elektronik yapısını belirlemek için. Ayrıca, bazı fiziksel özellikleri, düşük sıcaklıklar ve sistemin temel durum içinde elektronik yapı bilgi, yani T = 0, temel öneme sahiptir de yer alan bir sipariş olgular sıcaklığa bağlıdır. Bir Kelvin onda için numune aşağı soğutmak için en etkili yollarından biri, O, 3 gaz sıvılaştırmak etmektir. Alt Kelvin sıcaklıkları ulaşan birçok deney bir sorun değil de, termal radyasyon yana, ultra-düşük sıcaklıklar ana düşmanı, etkin korumalı olabilir. Ne yazık ki, bu fotoemisyon deneylerde böyle değildir. Biz gelen ışık ve giden elektronlar için ücretsiz erişim sağlamanız gerekir. Bu üç ra özel olarak tasarlanmış yarıklar tarafından gerçekleştirilmektedirdiation kalkanlar, sahip farklı sıcaklıklarda. Foton kiriş ve oda sıcaklığında radyasyonun neden olduğu ısı yükü dengelemek için, kriyostat bir soğutma gücü çok yüksek olmalıdır. Bu, böylece soğuk parmak ve numune, soğutma sıvısı O, 3, yukarıda buhar basıncını azaltmak iki pompaları çok geniş bir pompalama hızı elde edilir. Bizim O 3 sisteminin tasarım özellikleri bu en güçlü dünya çapında olun. Bu belki de bir "soğuk görünür", oda sıcaklığı pencereden bir 1 K soğuk yüzey görebilirsiniz gezegende tek yerdir.
Modern fotoemisyon deney çizimi Şekil 1 'de gösterilmiştir. Sinkrotron ışın (kesikli yeşil çizgi) örnek ve heyecanlandıran fotoelektronların 1 K soğuk yüzey yanar. Elektronlar sarı, eflatun ve camgöbeği izleri differe karşılık açısı bakımından (sıralanır hemisferik analizörü girişinde yarık, tahmin ediliyorsonra nt eğim açıları) ve kinetik enerji açısından analiz edilmiştir. Şekil 2 eğim açısı ve kinetik enerjinin bir fonksiyonu olarak tipik yoğunluk dağılımını göstermektedir. Bu malzemenin bant yapısı hesaplamaları ile karşılaştırılması (sağ panel) olarak gösterir Böyle bir yeğinlik dağılımı gerçekten bekleniyor. Bu karşılıklı uzaya bizim pencere olduğunu.
Objektif ve hemisferlerin üzerindeki voltajı tarama ve dikey eksen etrafında örnek döndürerek (polar açı) biz de görülmemiş detaylar karşılıklı alanı geniş bölgeleri olarak geniş bağlayıcı enerji aralığında keşfedebilirsiniz. Özellikle, eğim ve polar açılardan hesaplanan düzlem ivme, hem bileşenlerinin bir fonksiyonu olarak Fermi düzeyindeki yoğunluğu komplo, biz Fermi yüzeyi (FS) doğrudan erişim vardır.
Biz deneysel bir miktar "true olabilir ne kadar ileri deneycinin iyi tahmini anlıyorum" belirsizlik "altında *değer. "
8 kadar GeV – ** düşük enerji halkası ~ 0.8 GeV, yüksek enerjili biri bir enerji olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yukarıda gösterildiği gibi, uygulanan yöntemin tek kristallerin düşük enerjili elektronik yapısının incelenmesinde çok etkindir. Son enstrümantal iyileştirmeler sofistike bir çok-cisim spektroskopisi içine sadece karakterizasyonu ve bant-haritalama aracı ARPES döndü. Modern bir deney hassas yeni bir düzeyine sahip bir katı veya bir nano-nesne elektronik yapısı hakkında bilgi sunar. Bir metal kasa içinde Fermi yüzeyi erişim, yarı iletken ve yalıtım malzemeleri, bunların yüzey durumları, ba…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz minnetle Rolf Follath, Roland Hubel, K. Mohler, Dmytro Inosov, Jörg Fink, Andreas Koitzsch, Bernd Büchner, Andrei Varykhalov, Emile Rienks, Oliver Rader, Setti Thirupathaiah, Denis Vyalikh, Sergey Molodtsov, Clemens Laubschat, Ramona yardımı kabul Weber, "1-kuşbaşı" projesi tasavvur Hermann Dürr, Wolfgang Eberhardt, Christian Jung, Thomas Blume, Gerd Reichardt, David Batchelor, Kai Godehusen, Martin Knupfer, Stefan Leßny, Dirk Lindackers, Stefan Leger, Ralf Voigtländer, Ronny Schönfelder, , dizayn, inşa ve beamline ve son istasyonu yanı sıra sağlanan organizasyon ve kullanıcı desteği görevlendirdi.
Projesi "1-cubed ARPES" BESSYII ve IFW-Dresden sıra direkt olarak BMBF hibe "Yüksek Çözünürlük ARPES" tarafından finanse edilmiştir. Bu özel çalışma DFG öncelikli program SPP1458 tarafından desteklenen, ZA 654/1-1, BO1912/3-1 ve BO1912/2-2 verir. EC ve BPD inciseyahat finansman Johannesburg Üniversitesi Fen Fakültesi ank. MAMA – AV, RF ve MC hibe anlaşması N. 264.098 kapsamında AB -FP7/2007-2013 gelen destek için minnettarım.
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).
