Métodos experimentales para el giro y ángulo resuelto fotoemisión espectroscopia combinan con láser de polarización Variable

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 detector^2,3, 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 dimensiones^4,5 . 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) detector^{7,8,9 ,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 (E_kin) y el ángulo de emisión (θ_x y θ_y). Las intensidades del fotoelectrón se asignan en el E_kin–θ_x 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.