Vinkel-løst photoemission Spectroscopy At Ultra-lave temperaturer

Summary

Det overordnede målet med denne metoden er å bestemme lavenergi elektronisk struktur av faste stoffer ved svært lave temperaturer ved hjelp av Vinkel-Løst photoemission spektroskopi med synkrotronstråling.

Abstract

De fysiske egenskapene til et materiale er definert av dens elektroniske struktur. Elektroner i faststoffene kjennetegnes av energi (ω) og bevegelsesmengden (k) og sannsynligheten for å finne dem i en bestemt tilstand med gitt ω og k er beskrevet av den spektrale funksjonen A (k, ω). Denne funksjonen kan måles direkte i et eksperiment basert på den velkjente fotoelektrisk effekt, for å forklare hvilke Albert Einstein fikk nobelprisen tilbake i 1921. I den fotoelektriske effekt lyste på en overflate støter elektroner fra materialet. Ifølge Einstein, tillater energisparing en å bestemme energien av et elektron inne prøven, forutsatt at energien av lyset foton og kinetisk energi av den utgående fotoelektron er kjent. Momentum bevaring gjør det også mulig å estimere k å knytte den til den momentum av fotoelektron ved å måle vinkelen fotoelektron forlot overflaten. Den moderne versjonen av denne teknikken kalles Angle-Løst photoemission spektroskopi (ARPES) og utnytter både bevaringslover for å fastslå den elektroniske struktur, dvs. energi og fremdrift av elektroner inne i solid. For å løse detaljene avgjørende for å forstå de aktuelle problemene kondenserte fasers fysikk, tre mengder må minimeres: usikkerhet * i fotonenergi, usikkerhet i kinetisk energi photoelectrons og temperaturen i prøven.

I vår tilnærming kombinerer vi tre siste prestasjoner innen synkrotronstråling, overflate vitenskap og cryogenics. Vi bruker synkrotronstråling med avstembar fotonenergi bidrar en usikkerhet på størrelsesorden 1 MeV, et elektron energi analysator som detekterer de kinetiske energier med en presisjon av størrelsesorden 1 MeV og en han ³ cryostat which tillater oss å holde temperaturen på prøven under 1 K. Vi diskuterer eksemplarisk resultater oppnådd på enkle krystaller av Sr ₂ RUO ₄ og noen andre materialer. Den elektroniske strukturen av dette materialet kan avgjøres med en enestående klarhet.

Introduction

Dag ARPES er mye brukt for å bestemme den elektroniske struktur av faste stoffer. Vanligvis er forskjellige varianter av denne metoden definert av kilden av strålingen trengs å eksitere elektroner. Vi bruker synkrotronstråling siden det gir en unik mulighet til å justere polarisering og eksitasjon foton energi i et vidt energiområdet og er preget av høy intensitet, liten båndbredde (usikkerhet i energi hn), og det kan være fokusert til en smal stråle å samle photoelectrons fra en flekk av noen titalls mikrometer. Synkrotronstråling genereres i elektron lagring ringene tvinge elektroner som sirkulerer i ringen med en energi av størrelsesorden 2 GeV ** for å passere gjennom periodiske arrangementer av sterke magneter (undulators). Det magnetiske feltet deflects elektronene og når slike raske elektroner endre sin retning de avgir stråling. Akkurat denne strålingen blir deretter ledet inn i såkalte beamline hvor det videre monochromatizedved et diffraksjonsgitter og fokusert på overflaten av prøven ved flere speil. Det er mange slike anlegg verden over. Vår ende-stasjon ligger ved en av de beamlines av Bessy lagring ring som tilhører Helmholtz-Zentrum Berlin.

Hjertet av denne ARPES anlegget er elektronet energi analysator (figur 1). Siden vi er interessert i både kinetisk energi og vinkel som elektroner forlate overflaten, er det veldig praktisk å oppdage dem i en måling. En veldig enkelt prinsipp gjør denne tilnærmingen en realitet. Som i en grunnleggende eksperiment med en optisk linse som fokuserer en plan bølge inn poenget i ryggen fokalplan dermed utføre romlig Fourier transformasjon, elektronet optisk linse prosjekter elektroner som forlot overflaten ved bestemt vinkel til et punkt i fokalplanet ( Figur 1). På en slik måte får man tilgang til den omvendt dvs. momentum, plass. Den distance fra retning forover i fokalplanet tilsvarer vinkel og dermed til fremdrift av fotoelektron. Nå elektronene må analyseres i form av energi. For dette formålet inngangen splitten i halvkuleformede analysatoren plasseres nøyaktig i fokalplanet av elektronet optisk linse. Spenninger på to hemisfærer er valgt slik at bare elektroner med særlig bevegelsesenergi (pass energi) vil bli ledet nøyaktig i midten av to halvkuler og lande på den sentrale linje av den todimensjonale detektoren. De som er raskere vil treffe detektoren nærmere den ytre halvkule, de som er langsommere blir avbøyet mot den indre halvkule. På en slik måte kan vi få fotoemisjonsspektroskopi intensitetsfordeling som funksjon av vinkel-og kinetisk energi samtidig.

Den største fordelen med vår tilnærming over eksisterende metoder er bruk av han ^tre cryomanipulator. Det er minst to grunner for å bære out de målinger ved lave temperaturer. Jo høyere temperaturen av materialet, jo mer utflytende ut elektroniske statene blitt i energi og bevegelsesmengde. Å bestemme den elektroniske struktur med høy presisjon denne temperaturen utvidelse må unngås. Også mange fysiske egenskaper er temperaturavhengig, noen bestilling fenomener satt i ved lave temperaturer og kunnskap om elektroniske struktur i grunntilstanden av systemet, dvs. ved T = 0, er av fundamental betydning. En av de mest effektive måtene å kjøle ned prøven ned til tiendedeler av en Kelvin er å kondensere Han ³ gass. I mange forsøk nådde sub-Kelvin-temperaturer er ikke et problem, siden termisk stråling, hovedfienden av ultra-lave temperaturer, kan effektivt skjermet. Dessverre er dette ikke tilfelle i photoemission eksperimenter. Vi trenger å gi gratis tilgang for innkommende lys og utgående elektroner. Dette oppnås ved spesialdesignet spaltene i tre radiation skjold, med forskjellige temperaturer. For å kompensere for varmebelastning forårsaket av fotonstråle og rom-temperatur stråling bør kjøleeffekten av kryostaten være svært høy. Dette oppnås ved den svært store pumpehastighet av to pumper som reduserer damptrykket over væsken Han ³ og dermed avkjøles kalde fingeren og prøve. Design spesifikasjoner av våre Han ^3-systemet gjør den til den kraftigste i verden. Det er kanskje det eneste stedet på kloden der man kan se en 1 K kald overflate gjennom en romtemperatur vindu, den "kaldeste synlig".

Skissen av den moderne fotoemisjonsspektroskopi eksperimentet er vist i figur 1. Den synkrotron bjelke (stiplet grønn linje) lyser opp en K kald overflate av prøven og begeistrer photoelectrons. Elektroner er anslått til inngangen splitten i halvkuleformet analysator, sortert i form av vinkel (gul, magenta og cyan spor tilsvarer different oppvipp) og deretter blir analysert i form av kinetisk energi. Figur 2 viser den typiske intensitetsfordeling som funksjon av vinkel-og kinetisk energi. En slik intensitet distribusjon er faktisk forventet som sammenligning med bandet struktur beregninger av dette materialet viser (høyre panel). Dette er et vindu inn gjensidige plass.

Ved å skanne spenninger på objektivet og halvkuler og rotere prøven rundt den vertikale aksen (polar vinkel) kan vi utforske det brede bindende energiområdet samt bred regioner av gjensidig plass med enestående detalj. Spesielt plotting intensitet ved Fermi nivå som en funksjon av begge komponenter av den i planet momentum, beregnet fra vippe og polare vinkler, har vi direkte tilgang til Fermi overflaten (FS).

* Under "usikkerhet" vi forstår eksperimentator beste estimat for hvor langt en eksperimentell mengde kan være fra den "sanneverdi. "

** Den lavenergi ringen kan ha en energi på ~ 0,8 GeV, høyenergi en – opptil 8 GeV.

Protocol

1. Montere Sample Dette eksperimentet bruker synkrotronstråling produsert av Bessy lagring ring av Helmholtz-Zentrum Berlin. Fotoner reiser beamline til vår ende-stasjon der en prøve er montert. Begynn med en enkelt krystall av materialet som skal undersøkes, her strontium ruthenate. Bruk sølvbaserte epoksyen lim prøven til prøveholderen. Den sølvbaserte epoksy sikrer god termisk og elektrisk kontakt. Lim et aluminium-post til den overflaten av enkelt-krystall. Toppen-innlegget vil…

Representative Results

De ultra-lave temperaturer på oppsettet vårt sammen med den høye oppløsningen på beamline og analysator tillater oss å spille inn spektra med svært høy total oppløsning. Dette er illustrert i figur 3.. Den vanlige test av energi oppløsning er å måle bredden av Fermi kanten av et metall. I dette tilfellet er det en ferskt inndampet indium film. Den fulle bredde ved halv maksimal (FWHM) i Gauss, som når convoluted med trinn-funksjon nøyaktig beskriver kanten, er av størrelsesorden 2 MeV. Av…

Discussion

Som vist ovenfor, er den implementerte metoden svært effektiv i å studere lavenergi elektroniske struktur enkrystaller. Siste instrumentale forbedringer har slått ARPES fra bare karakterisering og band-kartleggingsverktøy til en sofistikert mange-body spektroskopi. En moderne eksperiment leverer informasjon om den elektroniske struktur av et fast stoff eller en nano-objekt med et nytt nivå av presisjon. Adgang til Fermi overflaten i tilfelle av et metall, kan energi gap på halvledere og isolatorer, deres overflate…

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