Экспериментальные методы для спина и угол решены фотоэлектронная спектроскопия, в сочетании с переменной поляризации лазерного
Summary
Здесь мы сочетаем поляризации переменная 7-eV лазер с решен спин и угол фотоэмиссионный технику для визуализации эффекта спин орбитальное сцепления в твердых.
Abstract
Цель настоящего Протокола заключается в настоящее время как для выполнения спин и угол решены фотоэлектронная спектроскопия, в сочетании с переменной поляризации 7-eV лазер (лазер SARPES) и продемонстрировать мощь этой техники для изучения физики твёрдого тела. Лазер-SARPES достигает две большие возможности. Во-первых путем изучения правило орбитальных выбора линейно поляризованных лазеров, орбитального селективного возбуждения может осуществляться в SAPRES эксперимент. Во-вторых техника может показать полную информацию вариации квантовой оси вращения в зависимости от поляризации света. Чтобы продемонстрировать силу сотрудничества этих возможностей в лазер SARPES, мы используем этот метод для исследования поверхности государств спин орбитальное сочетании Би2Se3. Эта техника позволяет разложить спин и орбитальных компонентов из спин орбитальное сочетании волновые. Кроме того как представитель преимущество использования обнаружения прямого отжима сотрудничал с переменной поляризации лазерного, техника однозначно визуализирует света поляризацией зависимость квантовой оси вращения в три измерения. Лазер-SARPES значительно увеличивает возможности фотоэмиссионный техники.
Introduction
Угол решена фотоэлектронная спектроскопия (ARPES) техника превратился в один из самых мощных инструментов для изучения структуры группы квазичастица в твердых1. Наиболее привлекательной особенностью ARPES является возможность для сопоставления группы характеризуют электронных состояний в энергии и импульса пространстве. Спин решена ARPES (SARPES), который оснащен здесь спин детекторы, например. Мотт детектор2,3, далее позволяет нам решить спин характер структуры наблюдаемых группы4. Так как Мотт детектор можно измерить спин с двумя осями (x и z, или y и z), сочетание двух Мотт детекторы далее позволяет получить спин ориентации в три измерения4,5 . На протяжении нескольких десятилетий, однако, SARPES экспериментов были страдали от их низкой эффективности (обычно 1/10000 по сравнению с показателем для измерения спин интегрированных ARPES)3,4,5,6 ,7, который ограничил, энергии и угловой резолюций. Недавно энергетическое разрешение SARPES было увеличено с высокоэффективными спин детектор на основе обмена рассеяния, так называемые очень низкой энергии дифракция электронов (VLEED) детектор7,8,9 ,10. С этот детектор значительно улучшилось качество данных и сократить время сбора данных. Недавно SARPES удалось значительно спин поляризованных электронного государства и особенно спин орбитальное муфта эффект в спин текстуры поверхности полосы7.
Здесь, мы используем SARPES измерений с переменной поляризации вакуума ультрафиолетовые лазерные свет (лазер SARPES) и продемонстрировать большие преимущества этой комбинированной техники. Через исследование о спин орбитальное сочетании поверхности государств в Bi2Se3мы представляем две возможности лазер SARPES. Во-первых, из-за правило орбитальных выбора линейно поляризованных лазеров в диполя переходного режима, p– и s-поляризованного света выборочно возбуждают частью Эйген волновые с различных орбитальных симметрии. Такие орбитального селективного возбуждения таким образом доступен в SARPES, а именно, орбитального селективного SARPES. Во-вторых трехмерные (3D) спин обнаружение в SARPES показывает направление оси квантовая спин и непосредственно отображает полную информацию о зависимости свет поляризации. В этом протоколе мы кратко опишем методологии выполнять эту технику-искусство лазер SARPES для изучения последствий сильного спин орбитальное сцепного устройства.
Наша система лазер SARPES расположен в Институте физики твердого тела, в университете Токио11. Схематический чертеж нашей машины лазерной SAPRES показан на рисунке 1. Поляризация переменная 7-eV лазерный свет12 освещает поверхности образца и фотоэлектронов выбрасываются из образца. Поляризации лазерного автоматически контролируется MgF2– основе λ/2 – и λ/4-волновые пластинки выборочно использовать линейной и круговой поляризации. Полусферическая электрона анализатор исправляет фотоэлектронов и анализирует их кинетическую энергию (EКин) и угол (θx и yθ). Фотоэлектронная интенсивности сопоставляются на EКин–θx экран контролируется ПЗС-камеры. Это изображение непосредственно преобразована в зонной структуры энергетики в взаимные пространстве.
Для измерения SARPES фотоэлектронов с конкретным угол и кинетической энергии, анализируются анализатором электрон руководствуются два спина детекторы VLEED-типа с 90-градусный фотоэлектронная дефлектор и фотоэлектронный лучи фокусируются на два различные цели пленок Fe(001) –p(1 × 1) расторгнут кислорода. Фотоэлектронов, отражение целей обнаруживаются в один канал обнаружения с помощью channeltron, помещены в каждом спина детектор. VLEED цели могут быть намагничены с Гельмгольц тип электрических катушек, которые аранжированы с ортогональными геометрии друг относительно друга. Направление замагничивания контролируется банком биполярного конденсатора. Двойной VLEED спина детекторы таким образом позволяют нам анализировать спин поляризация вектора фотоэлектронная в трех измерениях.
Protocol
Representative Results
Discussion
ARPES и SARPES методы обычно используются для изучения структуры зонная через группу картирования и спин обнаружения1,2. Помимо этих общих преимуществ, показано выше лазер SARPES на основании правила орбитальных выбора в оптических диполя возбуждения могут быть …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим A. M. Накаяма, S. Тоёхиса, Фукусима и Y. Ishida для поддерживает для экспериментальной установки. Мы с благодарностью признаем, финансирование от JSP-страницы Grantin-помощь для научных исследований (B) через проект № 26287061 и для молодых ученых (B) через проект № 15K 17675. Эта работа была также поддержана МПКСНТ Японии (инновационные области «топологических материаловедения,» Грант № 16 H 00979) и JSP-страницы KAKENHI (Грант № 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).
