Experimentele methoden voor Spin - en hoek-opgelost Photoemission spectroscopie gecombineerd met polarisatie-variabele Laser
Summary
Hier combineren we polarisatie-variabele 7-eV laser met draai – en hoek-opgelost photoemission techniek voor het visualiseren van het effect van de rotatie-orbitaal koppeling in stevige staten.
Abstract
Het doel van dit protocol is te presenteren van het uitvoeren van de spin – en hoek-opgelost photoemission spectroscopie gecombineerd met polarisatie-variabele 7-eV laser (laser-SARPES), en tonen een kracht van deze techniek voor het bestuderen van de vaste stoffysica. Laser-SARPES behaalt twee grote mogelijkheden. In de eerste plaats door het onderzoek van orbitale selectieregel van lineair gepolariseerde lasers, kan orbital selectieve excitatie worden uitgevoerd in SAPRES experiment. Ten tweede, kan de techniek Toon volledige informatie van een variatie van de as van de quantum spin als een functie van de polarisatie van licht. Om aan te tonen de kracht van de medewerking van deze mogelijkheden in laser-SARPES, passen we deze techniek voor het onderzoek van spin-baan combinatie oppervlakte Staten van Bi2Se-3. Deze techniek biedt aan spin en orbital componenten van de spin-baan combinatie golffuncties ontleden. Bovendien, als een vertegenwoordiger voordeel van het gebruik van de directe spin detectie met de polarisatie-variabele laser samengewerkt, de techniek ondubbelzinnig visualiseert de afhankelijkheid van de lichte polarisatie van de spin quantum as in drie-dimensie. Laser-SARPES verhoogt drastisch een vermogen van photoemission techniek.
Introduction
Hoek-opgelost photoemission spectroscopie (CEVENNEN) techniek uitgegroeid tot een van de meest krachtige tool om te onderzoeken quasiparticle band structuren stevige staten1. De meeste van de aantrekkelijke functie van de CEVENNEN is de mogelijkheid voor het omzetten van de band te karakteriseren elektronische Staten in energie en impuls ruimte. Spin-resolved CEVENNEN (SARPES), die hier met draai-detectors, bv uitgerust is. Mott detector2,3, verder stelt ons in staat om op te lossen van de spin-karakter van de waargenomen band structuren4. Omdat de Mott-detector kan meten de spin met twee assen (x en z, of y en z), de combinatie van de twee Mott detectoren verder maakt het mogelijk om het verkrijgen van de oriëntatie van de spin in drie dimensie4,5 . Voor decennia, echter de SARPES experimenten werden leed aan hun lage efficiëntie (doorgaans 1/10000 vergeleken met die voor spin-geïntegreerd CEVENNEN meting)3,4,5,6 ,7, die de energie- en hoekige-resoluties had beperkt. Onlangs, is de resolutie van de energie van de SARPES opgetrokken met een hoog-efficiënte spin detector gebaseerd op uitwisseling verstrooiing, de zogenaamde zeer-lage-energie-elektronendiffractie (VLEED) detector7,8,9 ,10. Met deze detector, de kwaliteit van de gegevens is aanzienlijk verbeterd en de gegevens-Acquisitietijd is ingekort. Onlangs, SARPES geslaagd om sterk aan spin-gepolariseerde elektronische Staten en met name spin-baan koppeling effect wat resulteert in de textuur van de spin van de oppervlakte bands7.
Hier, gebruiken we SARPES metingen met een polarisatie-variabele vacuüm ultraviolet laser licht (laser-SARPES) en het aantonen van de grote voordelen van deze gecombineerde techniek. Door middel van het onderzoek op de spin-baan combinatie oppervlakte Staten in Bi2Se3presenteren we twee mogelijkheden van laser-SARPES. Ten eerste, als gevolg van de orbitale selectieregel van lineair gepolariseerde lasers in dipool overgangsregeling, p– en s-gepolariseerd licht selectief prikkelen van een deel van de eigen-golffuncties met verschillende orbitaal symmetrie. Een dergelijke orbitale selectieve excitatie is daardoor beschikbaar in SARPES, namelijk, orbital-selectieve SARPES. Ten tweede, driedimensionale (3D) spin-detectie in SARPES geeft de richting van de as van de quantum spin en direct volledige informatie van de licht-polarisatie afhankelijkheid worden weergegeven. In dit protocol beschrijven we kort een methodologie voor het uitvoeren van deze state-of-the-art laser-SARPES-techniek om te bestuderen van de effecten van de sterke spin-baan koppeling.
Onze laser-SARPES systeem is gelegen aan het Instituut voor vaste stoffysica, de Universiteit van Tokio,11. De schematische tekening van onze laser-SAPRES-machine is afgebeeld in Figuur 1. De polarisatie-variabele 7-eV laser licht12 verlicht het monster oppervlak en de photoelectrons van het monster worden uitgestoten. De polarisatie van de laser wordt automatisch gecontroleerd door MgF2– gebaseerde λ/2- en λ/4-waveplates selectief gebruik van lineaire en circulaire polarisaties. Een halfronde elektron analyzer corrigeert de photoelectrons en analyseert hun kinetische energie (Ekin) en de hoek van de emissie (θx en θy). De intensiteiten photoelectron worden toegewezen op de Ekin–θx scherm gecontroleerd door een CCD-camera. Dit beeld wordt direct omgezet in de structuur van de energie-band in de reciproque ruimte.
Voor de meting van de SARPES, de photoelectrons met een hoek van de specifieke emissie en de kinetische energie geanalyseerd door de elektron analyzer naar twee VLEED-achtige spin detectoren met een 90 graden photoelectron deflector worden geleid en de photoelectron balken zijn gericht op twee verschillende doelstellingen van Fe(001) –p(1 × 1) films beëindigd door zuurstof. De photoelectrons doorgevoerd door de streefcijfers worden gedetecteerd in één kanaal detectie met behulp van een channeltron geplaatst in elke spin detector. De doelstellingen van de VLEED kunnen worden gemagnetiseerde met Helmholtz-type elektrische spoelen die zijn gerangschikt met orthogonale geometrie ten opzichte van elkaar. De magnetisatie-richting wordt beheerd door de bank bipolaire condensor. De dubbele VLEED spin detectoren waardoor ons in staat stellen om te analyseren van de spin-polarisatie vector van de photoelectron in drie dimensies.
Protocol
Representative Results
Discussion
CEVENNEN en SARPES technieken zijn meestal gebruikt voor de studie van elektronische band structuren door middel van de toewijzing van de band en spin-detectie1,2. Naast deze algemene voordelen hierboven, kunnen laser-SARPES op basis van orbitaal selectieregel in optische dipool excitatie worden ingezet als een nieuwe techniek voor het visualiseren van het effect van de rotatie-orbitaal koppeling in de golffunctie en quantum spin-storing . Zoals aangetoond in <st…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken M. Nakayama, S. Toyohisa, A. Fukushima en Y. Ishida voor ondersteuning biedt voor de experimentele opzet. Wij nogmaals mijn dankbaarheid uitspreken van de JSPS Grantin-Aid financiering voor wetenschappelijk onderzoek (B) door middel van Project nr. 26287061 en voor jonge wetenschappers (B) door middel van Project nr. 15K 17675. Dit werk werd ook ondersteund door MEXT van Japan (innovatieve gebied “topologische Materials Science,” verlenen No. 16 H 00979) en JSPS KAKENHI (Grant No. 16 H 02209)
Materials
| DA30-L hemispherical analyzer | ScientaOmicron | http://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170 | |
| Silver-based epoxy | Epoxy Technology | H20E | |
| Sctoch tape | 3M | 801-1-18C | |
| UHV valve | VAT | 01034-KE01 | |
| linear/rotary feedthrough | Ferrovac | MD40 | |
| transfer rod | UHV design | PP series | |
| wobble stick | Ferrovac | WM40 | |
| Paladin compact 355 | Coherent | ||
| half waveplate | Kogakugiken | order made | |
| Bipolar condenser bank | Tsuji electronics |
References
- Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -. X. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors. Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).
- Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -. G., Kakizaki, A. A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency. Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).
- Dil, J. H. Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems. J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001 (2009).
- Hoesch, M., et al. Spin-polarized Fermi surface mapping. J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).
- Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector. Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101 (2010).
- Okuda, T., Kimura, A. Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002 (2013).
- Okuda, T., et al. A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution. Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117 (2008).
- Jozwiak, C., et al. A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry. Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904 (2010).
- Okuda, T., et al. Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center. Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302 (2011).
- Yaji, K., et al. High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light. Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111 (2016).
- Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy. J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001 (2015).
- Augustine, S., Mathai, E. Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals. Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).
- Hasan, M. Z., Kane, C. L. Colloquium: Topological insulators. Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).
- Ando, Y. Topological insulator materials. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011 (2013).
- Zhang, H., Liu, C. -. X., Qi, X. -. L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -. C. Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface. Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).
- Cao, Y., et al. Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators. Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).
- Zhang, H., Liu, C. -. X., Zhang, S. -. C. Spin-orbital texture in topological insulators. Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801 (2013).
- Kuroda, K., et al. Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3. Phys. Rev. B. 94 (16), 165162 (2016).
- Meier, F., et al. Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys. J Phys-Condens Mat. 23 (7), 072207 (2011).
- Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature. J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).
- Yaji, K., et al. Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states. Nature Commun. 8, 14588 (2017).
- Noguchi, R., et al. Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states. Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R) (2017).
