Vinkel-löst Photoemission spektroskopi på Ultra-låga temperaturer

Summary

Det övergripande målet med denna metod är att bestämma den låga energi elektroniska struktur fasta ämnen vid extremt låga temperaturer med Vinkel-Lösta Photoemission spektroskopi med synkrotronljus.

Abstract

De fysikaliska egenskaperna hos ett material definieras av dess elektroniska struktur. Elektroner i fasta kännetecknas av energi (ω) och momentum (k) och sannolikheten att hitta dem i en viss stat med tanke ω och k beskrivs av den spektrala funktionen A (k, ω). Denna funktion kan mätas direkt i ett experiment bygger på den välkända fotoelektrisk effekt, för en förklaring av vilka Albert Einstein fick Nobelpriset redan 1921. I den fotoelektriska effekten ljuset lyste på en yta matar elektroner från materialet. Enligt Einstein tillåter energisparande en att bestämma energin hos en elektron inuti provet, förutsatt att energin hos ljuset fotonen och kinetisk energi för den utgående fotoelektron är kända. Momentum bevarande gör det också möjligt att uppskatta k avser den till momenTum av fotoelektroner genom att mäta vinkeln vid vilken fotoelektron lämnade ytan. Den moderna versionen av denna teknik kallas Angle-Lösta Photoemission Spectroscopy (ARPES) och utnyttjar både konserveringslagar för att bestämma den elektroniska struktur, dvs energi och rörelsemängd av elektroner inuti fast. För att lösa de uppgifter som är avgörande för att förstå de aktuella problemen med kondenserade materiens fysik, tre mängder måste minimeras: osäkerhet * i fotonenergin, osäkerhet i kinetiska energi fotoelektroner och temperatur av provet.

I vår strategi kombinerar vi tre senaste framstegen inom synkrotronljus, yta vetenskap och kryoteknik. Vi använder synkrotronljus med avstämbara fotonenergi bidrar en osäkerhet i storleksordningen 1 MeV, en elektronenergi analysator som detekterar de kinetiska energierna med en precision av storleksordningen 1 MeV och en He ³ kryostat which tillåter oss att hålla temperaturen hos provet under 1 K. Vi diskuterar de exemplifierande resultat som erhållits på enkristaller av Sr ₂ RuO ₄ och några andra material. Den elektroniska strukturen hos detta material kan bestämmas med en oöverträffad klarhet.

Introduction

Numera ARPES används allmänt för att bestämma den elektroniska strukturen av fasta ämnen. Vanligtvis, är olika variationer av denna metod definieras av källan till strålningen som behövs för att excitera elektroner. Vi använder synkrotronljus eftersom det ger en unik möjlighet att ställa polariseringen och exciterings fotonen energi i ett brett energiområde och kännetecknas av hög intensitet, liten bandbredd (osäkerheten i energi HN) och det kan fokuseras till en smal stråle för att samla fotoelektroner från en fläck av några tiotals mikrometer. Synkrotronljus genereras i elektron lagringsringar tvingar elektroner cirkulerar i ringen med en energi i storleksordningen 2 GeV ** passera periodiska arrangemang av starka magneter (undulators). Magnetfältet avleder elektroner och när sådana snabba elektroner byter riktning de avger strålning. Exakt denna strålning riktas sedan in i den så kallade beamline där den ytterligare monokromatiseradgenom ett diffraktionsgitter och fokuseras på ytan av provet med flera speglar. Det finns många sådana anläggningar runt om i världen. Vår slut-stationen ligger vid en av de strålrör av BESSY lagring ring som tillhör Helmholtz-Zentrum Berlin.

Hjärtat i denna ARPES anläggning är elektronen energi analysator (figur 1). Eftersom vi är intresserade av både den kinetiska energin och vinkel vid vilken elektroner lämnar ytan, är det mycket bekvämt att detektera dem i en enda mätning. En mycket enkel princip gör detta tillvägagångssätt verklighet. Som i en grundläggande experiment med en optisk lins, som fokuserar en plan våg i den punkt i bakre fokalplanet så utför rumslig Fouriertransformation, elektronen optisk lins projekt elektroner som lämnat ytan vid viss vinkel till en punkt i fokalplanet ( Figur 1). På så sätt får vi tillgång till den ömsesidiga, dvs fart, utrymme. Den distance från riktning framåt när det fokalplanet motsvarar vinkeln och därmed dynamiken i fotoelektron. Nu elektronerna måste analyseras i termer av energi. För detta ändamål ingångsslitsen av den halvsfäriska analysatorn är placerad exakt i fokalplanet av elektron optiska linsen. Spänningarna på två hemisfärer väljs så att endast elektroner med särskild kinetisk energi (passera energi) kommer att styras exakt i mitten av två hemisfärer och mark på den centrala linjen av den tvådimensionella detektorn. De som är snabbare slår detektorn närmare yttre halvklotet, de som är långsammare kommer att böjas mot den inre halvklotet. På så sätt kan vi få distributionen photoemission intensiteten som funktion av vinkel och rörelseenergi samtidigt.

Den största fördelen med vår strategi över befintliga metoder är användningen av han ³ cryomanipulator. Det finns åtminstone två skäl att genomföra out mätningarna vid låga temperaturer. Den högre temperaturen hos materialet, desto utsmetade ut det elektroniska blir i energi och rörelsemängd. För att bestämma den elektroniska strukturen med hög precision denna temperatur breddning måste undvikas. Även många fysikaliska egenskaper är temperaturberoende, vissa beställning fenomen som anges i vid låga temperaturer och kunskapen om den elektroniska strukturen i grundtillståndet för systemet, dvs vid T = 0, är av grundläggande betydelse. Ett av de mest effektiva sätten att kyla ner provet ner till tiondels Kelvin är att smälta Han ³ gas. I många experiment når sub-Kelvintemperaturer är inte ett problem, eftersom värmestrålningen, den största fienden av ultra-låga temperaturer kan avskärmas effektivt. Tyvärr är detta inte fallet i photoemission experiment. Vi måste ge fri tillgång till det inkommande ljuset och utgående elektroner. Detta realiseras genom speciellt utformade slitsar i tre ramedling sköldar, med olika temperaturer. För att kompensera för värme belastningen som orsakas av fotonstrålen och rumstemperatur strålning, bör den kyleffekt kryostatens vara mycket hög. Detta uppnås genom den mycket stora pumphastighet av två pumpar som reducerar ångtrycket ovanför vätskan han ^3, och kyler det kalla fingret och provet. De konstruktionsspecifikationer i vårt Han ^3-system gör den till den mest kraftfulla i världen. Det är kanske den enda platsen på jorden där man kan se en 1 K kall yta genom en rumstemperatur fönster, den "kallaste synliga".

Skissen av moderna fotoemission experimentet visas i figur 1. Den synkrotron stråle (streckad grön linje) belyser 1 K kall yta av provet och hetsar fotoelektroner. Elektroner beräknas ingångsslitsen av halvsfäriska analysator, sorterade i termer av vinkeln (gul, magenta och cyan spår motsvarar different lutningsvinklar) och sedan analyseras i termer av kinetisk energi. Figur 2 visar den typiska intensitetsfördelningen som en funktion av lutningsvinkeln och kinetisk energi. En sådan intensitetsfördelning är faktiskt förväntas eftersom jämförelse med beräkningar bandstruktur av detta material visar (höger panel). Detta är vårt fönster till ömsesidig rymden.

Genom att skanna spänningar på objektivet och halvklot och rotera provet kring den vertikala axeln (polära vinkeln) kan vi utforska det breda bindande energiområdet samt breda områden för ömsesidigt utrymme med oöverträffad detaljrikedom. I synnerhet, konspirera intensiteten vid Fermi-nivån som en funktion av båda komponenter i planet fart, beräknat från tilt och polära vinklar, har vi direkt tillgång till Fermi yta (FS).

* Under "osäkerhet" vi förstår försöksledaren bästa uppskattning av hur långt en experimentell mängd kan vara från "sannavärde. "

** Den låga energi ringen kan ha en energi av ~ 0,8 GeV, med hög energi en – upp till 8 GeV.

Protocol

1. Montering av prov Detta experiment använder synkrotronljus produceras av BESSY lagring ring av Helmholtz-Zentrum Berlin. Fotonerna reser beamline till vår slut-station där ett prov är monterad. Börja med en enda kristall av det material som ska undersökas, här strontium ruthenate. Använda silver-baserade epoxi för att limma provet till provhållaren. Den silver-baserade epoxi säkerställer god termisk och elektrisk kontakt. Lim aluminium topp-post till ytan av den enda kristal…

Representative Results

De extremt låga temperaturerna i vår inställning tillsammans med den höga upplösningen på strålröret och analysatorn ger oss möjlighet att spela in spektra med mycket hög total upplösning. Detta illustreras i figur 3. Den vanliga test av energi upplösning är att mäta bredden av Fermi kanten av en metall. I detta fall är det ett nyligen indunstades indium-film. Den fulla bredden vid halva maximum (FWHM) i Gauss, som när faltas med steg-funktionen exakt beskriver kanten, är i storleksordn…

Discussion

Såsom visas ovan, är den metod som genomförs mycket effektiv i att studera med låg energi elektronisk struktur av enskilda kristaller. Nya instrumentala förbättringar har vänt ARPES från enbart karakterisering och band-kartverktyg till en sofistikerad många-kropp spektroskopi. En modern experiment ger information om den elektroniska strukturen av en fast eller en nano-objekt med en ny nivå av precision. Tillgång till Fermi yta vid en metall, kan energi luckor i halvledare och isolatorer, deras tillstånd yta,…

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