在极低的温度下角分辨光电子能谱
Summary
这种方法的总体目标是，以确定低能量的电子在超低温下利用同步辐射角分辨光电子能谱结构的固体。
Abstract
其电子结构所定义的材料的物理性质。其特征在于在固体中的电子能量（ω）和动量（k）和找到他们在一个特定的状态，与给定的ω 和 k的概率由频谱函数描述一个（k，ω）。这个功能可以直接测量，在实验的基础上著名的光电效应，阿尔伯特·爱因斯坦获得了诺贝尔文学奖，早在1921年的解释。在光电效应的光照射的表面上喷出从材料的电子。根据爱因斯坦，节约能源允许一个，以确定样品内的电子的能量，提供的能量的光的光子的出射光电子的动能是已知的。动量守恒，它也有可能估算，K表有关的瞬的光电子通过测量在该光电子离开表面的角度中的量子。这种技术被称为现代版角分辨光电子能谱（ARPES），以确定的电子结构，并利用两个守恒定律， 即固体内部的电子能量和动量。为了解决细节问题，了解局部问题，凝聚态物理的关键，需要最小化：三个量的不确定性*能量的光子，光电子的动能和温度的样品中的不确定性。
在我们的方法中，我们结合三个领域的同步辐射，表面科学和低温的最新成就。我们使用同步加速器辐射与可调的光子能量贡献的不确定性的顺序的1毫电子伏特，具有精度的顺序的1毫电子伏特的电子能量分析仪，其检测动能和他3低温恒温器的wh脑出血允许我们的样品的温度保持在低于1 K，我们讨论的示例性的单晶的Sr 2 RuO 4的和其他一些材料上获得的结果。这种材料的电子结构，可确定一个前所未有的清晰度。
Introduction
如今ARPES被广泛用于确定固体的电子结构。一般，不同的变化，此方法是由所需的辐射激发的电子源定义。我们使用同步加速器辐射，因为它提供了一个独特的机会来调整的偏振和在很宽的能量范围内的激发光子能量和由高强度，小的带宽（能源HN的不确定性）的特征在于，它可以被聚焦到一个狭窄的光束收集光电子从几十微米的光斑。同步加速器辐射产生在电子储存环迫使电子在环中循环的顺序的2电子伏特的能量**通过周期性强磁铁（波荡）的安排。磁场偏转电子和如此快速的电子改变其方向时，他们发出的辐射。正是这种辐射，然后引导到所谓的束线，在其中进一步单色由衍射光栅集中由几个镜的表面上的样品。有很多这样的设施在世界各地。我们的最终站位于BESSY储存环的Helmholtz-Zentrum酒店柏林的光束线之一。
本ARPES设施的心脏是电子能量分析仪（ 图1）。由于我们感兴趣的动能和角度在电子离开表面，它是很方便的，在一次测量中检测到它们。一个非常简单的原则，使这种方法成为现实。至于在一个基本的实验用的光学透镜，其重点中的点的平面波转换成的后焦平面上，从而进行空间的傅里叶变换，电子光学透镜项目离开表面的电子在特定的角度中的一个点的焦平面（ 图1）。在这种方式中，我们获得的倒数， 即动量，空间。在远程控制策从在焦平面的前进方向相对应的角度和从而光电子的势头。现在的电子有能源方面加以分析。为了这个目的，半球形分析仪的入射狭缝正好被放置在电子光学透镜的焦平面。两个半球上的电压是这样选择的，只与特定的动能（为了能量）的电子将被引导在中间的两个半球和土地上的二维检测器的中央线完全相同。那些更快将击中探测器接近的外半球;那些慢将朝着内半球偏转。在这样一种方式中，我们可以得到同时作为一个功能的角度和动能的光电子强度分布。
与现有方法相比，我们的方法的主要优点是使用的他3 cryomanipulator的。至少有两个原因，进行OUt是在低温下的测量。的材料的温度越高，越涂抹满分成为电子态的能量和动量。要确定精度高的电子结构，该温度下要避免扩大。此外，许多物理特性和温度有关，一些订货现象，在低温和知识系统的基态的电子结构， 即 T = 0，是极为重要的。降温的样品下降到十分之一秒的开尔文的最有效的方法之一是，以液化他3气。在许多实验中达到子·开尔文的温度是没有问题的，因为热辐射，超低温下的主要敌人，可以有效地屏蔽。不幸的是，这是不是的情况下，光电子的实验。我们需要的入射光与出射电子免费提供。这是通过专门设计的狭缝在三个岭diation盾牌，具有不同的温度。为了补偿的光子束和室温辐射引起的热负荷，低温恒温器的冷却功率应该是非常高的。这是通过非常大的两个泵的抽气速度减少的液态He 3以上的蒸气压，从而冷却的冷的手指和样品。我们3系统的设计规范，使其成为全球最强大的。这也许是唯一的地方，在这个星球上，人们可以看到一个1 K冰冷的表面上通过一个房间的温度窗口，“最冷可见”。
现代光电子实验是在图1中所示的草图。 （绿色虚线）的同步辐射光束照亮样本并激发光电子1 K的冷表面。电子被投射到半球形分析仪的入口狭缝，排序条件方面的角度（黄色，洋红和青色的痕迹对应different的倾斜角），然后，分析在动能方面， 图2示出了作为的函数的典型的强度分布的倾斜角和动能。预期确实是这样的强度分布，作为比较，与该材料的能带结构的计算显示（右面板）。这是我们的互惠空间的窗口。
通过扫描电压上的透镜和半球和绕垂直轴的旋转样品（极角），我们可以探索广泛的结合能范围内，以及宽区域的往复空间以前所未有的详细。绘制在费米能级的函数的两个组成部分，在平面内的动量，计算从倾斜和极性的角度强度，特别是，我们有至费米表面（FS）的直接访问。
*在“不确定性”，我们理解实验者的最佳估计多远的实验数量可能是从“真实的的价值。“
*低能量环的〜0.8 GeV时，高能量的1 – 8 GeV的能量。
Protocol
Representative Results
Discussion
正如上面所示，实现的方法是非常有效的，在研究的低能量的电子结构的单晶。最近的仪器的改进，从一个单纯的表征和带映射工具已经把角分辨光电子能谱成一个复杂的多体光谱。一个现代化的实验提供了坚实的电子结构或纳米对象，一个新的水平精度的信息。访问的费米表面的金属的情况下，能隙半导体和绝缘体，它们的表面状态，能带结构和动量依赖的费米速度允许在一般水平的电子结构?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们非常感谢帮助罗尔夫·Follath，罗兰·胡贝尔，K.莫勒，Inosov德米特罗，约尔格·芬克，安德烈亚斯Koitzsch，贝恩德·毕希纳，安德烈Varykhalov，埃米尔Rienks，奥利弗·雷德，Setti Thirupathaiah，丹尼斯Vyalikh，Molodtsov谢尔盖·克莱门斯Laubschat，拉莫纳韦伯，沃尔夫冈·赫尔曼·杜尔埃贝哈特，基督教荣，托马斯·布鲁姆，格尔德赖卡特，大卫巴彻勒，启Godehusen，马丁Knupfer，斯特凡Leßny，德克Lindackers的斯特凡·莱热，拉尔夫·福伦达，汤家骅Schönfelder，谁构思的“1立方”项目，设计，建造和调试的光束线和终端站以及组织和用户提供支持。
该项目“1立方角分辨光电子能谱”已经由BMBF金“的最高分辨率ARPES”，以及直接由BESSYII和IFW – 德累斯顿。这种特殊的工作得到了DFG优先方案SPP1458，授予：ZA 654/1-1，BO1912/3-1的和BO1912/2-2。 EC和BPD日ANK在约翰内斯堡大学理学院差旅费。 AV，RF和MC承认从欧盟-FP7/2007-2013的支持下赠款协议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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