Фотоэмиссии с угловым разрешением спектроскопии при сверхнизких температурах
Summary
Основная цель этого метода состоит в определении низких энергий электронной структуры твердых тел при сверхнизких температурах с помощью фотоэмиссии с угловым разрешением спектроскопии с синхротронного излучения.
Abstract
Физические свойства материала определяются его электронной структуры. Электронов в твердых телах характеризуется энергией (ω) и импульса (к), и вероятность найти их в определенное состояние с заданными ω и к описывается спектральной функции А (к, ω). Эта функция может быть непосредственно измерена в эксперименте на основе известного фотоэлектрического эффекта, для объяснения которых Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию еще в 1921 году. В фотоэффекта свет сиял на поверхность выталкивает электроны из материала. Согласно Эйнштейну, энергосбережения позволяет определить энергию электрона внутри образца при условии, что энергия светового фотона и кинетическую энергию фотоэлектронов исходящих известны. Сохранения импульса позволяет также оценить к связывая его с импульсомквантовой фотоэлектрона путем измерения угла, под которым фотоэлектронных оставили на поверхности. Современная версия эта техника называется фотоэмиссии с угловым разрешением спектроскопия (ARPES) и использует как законы сохранения в целях определения электронной структуры, то есть энергия и импульс электронов внутри твердого тела. Для того, чтобы решить детали решающее значение для понимания актуальных проблем физики конденсированных сред, три величины должны быть сведены к минимуму: * неопределенность в энергии фотона, неуверенность в кинетическую энергию фотоэлектронов и температуры образца.
В нашем подходе мы объединяем три последних достижений в области синхротронного излучения, поверхностной науки и криогенная. Мы используем синхротронного излучения с перестраиваемой энергией фотона способствует неопределенность порядка 1 МэВ, электронный анализатор энергии, которая определяет кинетическую энергию с точностью порядка 1 МэВ и He 3 криостата WHич позволяет поддерживать температуру образца ниже 1 К. Мы обсудим примерное результаты, полученные на монокристаллах Sr 2 RuO 4 и некоторых других материалов. Электронная структура этого материала может быть определена с беспрецедентной ясностью.
Introduction
В настоящее время ARPES широко используется для определения электронной структуры твердых тел. Как правило, различные вариации этого метода определяется источником излучения, необходимой для возбуждения электронов. Мы используем синхротронного излучения, так как она предлагает уникальную возможность настройки поляризации и энергией возбуждения фотонов в широком диапазоне энергий и характеризуется высокой интенсивностью, небольшой пропускной способностью (неопределенность в энергии Нп), и это может быть сфокусирован в узкий пучок для сбора фотоэлектронов из пятна в несколько десятков микрон. Синхротронное излучение генерируется в электронных накопителях заставляя электроны, циркулирующих в кольце с энергией порядка 2 ГэВ ** пройти через периодические договоренности сильных магнитов (ондуляторов). Магнитное поле отклоняет электроны и когда такие быстрые электроны меняют свое направление они испускают излучение. Именно это излучение затем направляется в так называемый beamline, где она дополнительно монохроматизированногона дифракционной решетке и сосредоточился на поверхность образца нескольких зеркал. Есть много таких объектов по всему миру. Наша конечная станция расположена в одном из beamlines из BESSY накопителя который принадлежит к Гельмгольца-Zentrum Berlin.
Сердце этого объекта ARPES является электронно-энергетического анализатора (рис. 1). Поскольку нас интересует, как в кинетическую энергию и угол, под которым электроны покидают поверхность, это очень удобно для их обнаружения в одном измерении. Очень простой принцип делает этот подход реальности. Как и в основной эксперимент с оптической линзой, которая занимается плоской волны в точку в задней фокальной плоскости таким образом, выполняет пространственное преобразование Фурье, электронно-оптическая линза проектов электроны, которые покинули поверхность под определенным углом к точке, в фокальной плоскости ( рис. 1). Таким образом мы получаем доступ к обратному, то есть импульс, пространство. Расстоянияхсе от прямого направления в фокальной плоскости соответствует углу и, таким образом, импульс фотоэлектронов. Теперь электроны должны быть проанализированы с точки зрения энергии. Для этого входной щели полусферической анализатор находится точно в фокальной плоскости электронно-оптических линз. Напряжения на двух полушариях выбраны так, что только электроны с особой кинетической энергии (передать энергию) будет руководствоваться именно в середине двух полушарий и земля, на центральной линии двумерного детектора. Те, которые быстрее попадет на детектор ближе к внешнему полушарии, а те, которые медленнее будут отклоняться к внутреннему полушарии. Таким образом, мы можем получить распределение интенсивности фотоэмиссии в зависимости от угла и кинетическую энергию одновременно.
Главное преимущество нашего подхода по сравнению с существующими методами является использование He 3 cryomanipulator. Есть, по крайней мере, две причины для выполнения НУт измерений при низких температурах. Чем выше температура материала, тем больше размывается электронных состояний стать в энергии и импульса. Для определения электронной структуры с высокой точностью этой температуре расширение следует избегать. Кроме того, многие физические свойства зависят от температуры, некоторое упорядочение явлений наступает при низких температурах и знание электронной структуры в основном состоянии системы, т.е. при T = 0, имеет принципиальное значение. Одним из наиболее эффективных способов охлаждения образца до десятых долей Кельвина для разжижения He 3 газа. Во многих экспериментах достижения суб-Кельвина температура не является проблемой, так как тепловое излучение, главный враг ультра-низкой температуре, может быть надлежащим образом защищены. К сожалению, это не так в фотоэмиссионных экспериментов. Мы должны обеспечить свободный доступ для входящего и исходящего света электроны. Это реализуется с помощью специально разработанных щели в три рачения щитов, имеющих разные температуры. Для того, чтобы компенсировать тепловую нагрузку вызванные пучка фотонов и при комнатной температуре излучения, мощность охлаждения из криостата должна быть очень высокой. Это достигается за счет очень большой скорости откачки из двух насосов, которые снижают давление пара над жидкостью He 3, таким образом, охлаждение холодным пальцев и образцов. Проектным спецификациям наших He 3 системы делают его самым мощным в мире. Это, пожалуй, единственное место на планете, где можно увидеть 1 K холодную поверхность через окно комнатной температуре, "холодный видимый".
Эскиз современного эксперимента фотоэмиссии показано на рисунке 1. Синхротронного пучка (пунктирная зеленая линия) освещает 1 K холодную поверхность образца и возбуждает фотоэлектронов. Электроны, по прогнозам, входной щели полусферическим анализатором, отсортированные по углу (желтого, пурпурного и голубого следы соответствуют differeNT углов наклона), а затем анализируются с точки зрения кинетической энергии. рисунке 2 показано типичное распределение интенсивности в зависимости от угла наклона и кинетической энергии. Такое распределение интенсивности действительно ожидается в сравнении с расчетов зонной структуры этого материала показывает (правая панель). Это наше окно в обратном пространстве.
При сканировании напряжение на объективе и полушарий и вращении образца вокруг вертикальной оси (полярный угол), мы можем исследовать широкие обязательные диапазоне энергий, а также широкие области обратного пространства с беспрецедентной детализацией. В частности, в заговоре интенсивности на уровне Ферми как функции обоих компонентов в плоскости импульса, рассчитанная по наклону и полярных углов, мы имеем прямой доступ к поверхности Ферми (ПФ).
* Под «неопределенности», мы понимаем, наилучшую оценку экспериментатора о том, насколько экспериментальные количество может быть от «истиннойЗначение ".
** Низкого энергетического кольца могут иметь энергию ~ 0,8 ГэВ, при высоких энергиях один – до 8 ГэВ.
Protocol
Representative Results
Discussion
Как было показано выше, реализуется метод очень эффективен при изучении низкоэнергетических электронных структуры монокристаллов. Недавние усовершенствования инструментальных превратились ARPES от простого описания и полосы отображение инструмента в сложных многих тел спектроскопи…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы выражаем глубокую признательность помощью Рольф Follath, Roland Хьюбел, К. Мелер, Дмитрий Inosov, Йорг Финк, Андреас Koitzsch, Бернд Бюхнера, Андрей Varykhalov, Эмиль Rienks, Оливер Рейдер, Setti Thirupathaiah, Денис Vyalikh, Сергей Молодцов, Клеменс Laubschat, Рамона Вебер, Герман Dürr, Вольфганг Эберхард, Christian Jung, Томас Блюм, Герд Reichardt, Дэвид Батчелор, Кай Godehusen, Мартин Knupfer, Стефан Leßny, Дирк Lindackers, Стефан Леже, Ральф Voigtländer, Ронни Schönfelder, который задумал "1-кубе" проект , спроектирована, изготовлена и введена в эксплуатацию beamline и конечных станций, а также при организационной и поддержка пользователей.
В рамках проекта "1-кубе ARPES" была осуществлена за счет гранта BMBF "высокого разрешения ARPES", а также непосредственно BESSYII и IFW-Dresden. Данная работа выполнена при поддержке DFG приоритетных программ SPP1458, предоставляет 654/1-1 З.А., BO1912/3-1 и BO1912/2-2. ЕС и BPD-йАНК факультете естественных наук в университете Йоханнесбурга для финансирования поездки. AV, RF и MC признать поддержки со стороны ЕС -FP7/2007-2013 под грантового соглашения N. 264098 – МАМА.
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
- Borisenko, S. V. One-Sign Order Parameter in Iron Based Superconductor. Symmetry. 4, 251-264 (2012).
- Maeno, Y., Hashimoto, H., Yoshida, K., Nishizaki, S., Fujita, T., Bednorz, J. G., Lichtenberg, F. Superconductivity in a layered perovskite without copper. Nature (London). 372, 532 (1994).
- Singh, D. J. Relationship of Sr2RuO4 to the superconducting layered cuprates. Phys. Rev. B. 52, 1358 (1995).
- Zabolotnyy, V. B. Surface and bulk electronic structure of the unconventional superconductor Sr2RuO4: unusual splitting of the β band. New Journal of Physics. 14, 63039 (2012).
- Stöwe, K., Wagner, F. Crystal Structure and Calculated Electronic Band Structure of ZrTe3. Journal of Solid State Chemistry. 138, 160-168 (1998).
- Zabolotnyy, V. B. Momentum and temperature dependence of renormalization effects in the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B. 76, 064519 (2007).
- Zabolotnyy, V. B. Disentangling surface and bulk photoemission using circularly polarized light. Phys. Rev. B. 76, 024502 (2007).
- Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Kim, T. K., Nenkov, K. A., Knupfer, M., Fink, J., Golden, M. S., Berger, H., Follath, R. Origin of the Peak-Dip-Hump Line Shape in the Superconducting-State (π,0) Photoemission Spectra of Bi2Sr2CaCu2O8. Phys. Rev. Lett. 89, 077003 (2002).
- Inosov, D. S., Fink, J., Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Schuster, R., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., D?rr, H. A., Eberhardt, W., Hinkov, V., Keimer, B., Berger, H. Momentum and Energy Dependence of the Anomalous High-Energy Dispersion in the Electronic Structure of High Temperature Superconductors. Phys. Rev. Lett. 99, 237002 (2007).
- Inosov, D. S., Schuster, R., Kordyuk, A. A., Fink, J., Borisenko, S. V., Zabolotnyy, V. B., Evtushinsky, D. V., Knupfer, M., B?chner, B., Follath, R., Berger, H. Excitation energy map of high-energy dispersion anomalies in cuprates. Phys. Rev. B. 77, 212504 (2008).
- Hüfner, S. . Photoelectron Spectroscopy, Principles and Applications. , (1996).
