超低温での角度分解光電子分光
Summary
この方法の全体的な目標は、放射光を用いた角度分解光電子分光を用いた超低温で固体の低エネルギーの電子構造を決定することです。
Abstract
物質の物理的性質は、その電子構造によって定義されます。固体中の電子がエネルギー（ω）と運動量（k）と与えられたωとkを持つ特定の状態でそれらを見つけるために、確率によって特徴付けられるスペクトル関数（K、ω）によって記述されます。この関数は、直接アルバート·アインシュタインが1921年にノーベル賞を受賞しているの説明については、よく知られている光電効果に基づいて、実験で測定することができます。光電効果において、光は物質から電子を排出表面に輝きました。アインシュタインによると、省エネは一つが試料内部の電子のエネルギーを決定することができ、知られている発信光電子の光フォトンと運動エネルギーのエネルギーを供給する。運動量の保存は、木綿に関連するkを推定することも可能になります光電子が表面に残っている角度を測定することにより、光電子のポロン。この技術の現代版は、角度分解光電子分光（ARPES）と呼ばれ、固体内部の電子の電子構造、 すなわちエネルギーと運動量を決定するために、両方の保存則を活用しています。物性物理学の局所的な問題を理解するための重要な詳細を解決するためには、3つの量を最小化する必要があります：光子エネルギーの不確かさ*、光電子と試料の温度の運動エネルギーの不確実性は。
我々のアプローチでは、放射光、表面科学、極低温分野における3つの最近の成果を兼ね備えています。我々は、1 meVのオーダーの不確かさを調整可能な貢献光子エネルギーで1 meVのオーダーとHeクライオスタット3 WHの精度で運動エネルギーを検出し、電子エネルギー分析器を放射光を使用ICHは、私たちは私たちは、Sr 2 RuO 4のといくつかの他の材料の単結晶で得られた典型的な結果を議論1 K以下に試料の温度を維持することができます。この物質の電子構造は、前例のない明快さを求めることができる。
Introduction
昨今ARPESは広く固体の電子構造を決定するために使用されます。通常、このメソッドのさまざまなバリエーションは、電子を励起させるのに必要な放射線の源によって定義されます。我々は、それが、広いエネルギー範囲で偏光と励起光子エネルギーを調整するためのユニークな機会を提供し、高強度、小さな帯域幅（エネルギーHNの不確実性）によって特徴づけられるので、放射光を使用して、それを収集するために狭いビームを集束させることができる数十ミクロンのスポットからの光電子。放射光とは、強力な磁石の定期的な取り決め（アンジュレータ）を通過する** 2 GeVのオーダーのエネルギーを持つリングを周回電子を強制的に電子蓄積リングで生成されます。磁場は、電子を偏向し、このような高速の電子がその方向を変更したとき、彼らは放射線を放出する。まさにこの放射線は、それがさらに単色化されている、いわゆるビームラインに導かれる回折格子によって、いくつかのミラーによって試料の表面に焦点を当てた。世界中の多くのそのような施設があります。当社のエンドステーションはヘルムホルツZentrumのベルリンに属しているベッシー蓄積リングのビームラインの一つに位置しています。
このARPES施設の心臓部は、電子エネルギー分析器（ 図1）です。我々は、電子が表面を残すれる運動エネルギーと角度の両方に興味を持っているので、一回の測定で、それらを検出するために非常に便利です。非常に単純な原理は、このアプローチの現実になります。こうして空間フーリエ変換、焦点面のポイントに特定の角度で表面を残した電子光学レンズプロジェクト電子を実行後焦点面でのポイントに平面波を焦点光学レンズを使った基本的な実験では、（のように図1）。このように、我々は逆数、 すなわち運動量、スペースへのアクセスを得る。 distan焦点面で前方からceは角度に、したがって、光電子の運動量に相当します。今や電子はエネルギーの観点から分析する必要がある。この目的のために半球型分析器の入射スリットを電子光学レンズの焦点面に正確に配置されます。二つの半球上の電圧は、特定の運動エネルギー（エネルギーを渡す）を持つ唯一の電子が二つの半球と2次元検出器の中心線上に土地の真ん中に正確に導かれるように選択される。速くであるものは近い外側の半球に検出器にヒットします。遅くなりますものは、内側半球の方に偏向される。このように、我々は同時に角度と運動エネルギーの関数としての光電子強度分布を得ることができます。
既存の方法に比べて我々のアプローチの主な利点は、彼は3 cryomanipulatorの使用です。 ouを運ぶために、少なくとも2つの理由があります。トン低温での測定が可能です。材料の温度が高いほど、より多くのエネルギーと運動量になる電子状態アウトまみれ。この温度が広がり、高精度な電子構造を決定するには、避けなければならない。また、多くの物理的特性は、低温系の基底状態における電子構造の知識、 すなわち T = 0で、基本的に重要である時に設定されたいくつかの順序付け現象温度に依存しています。ケルビンの割にサンプルをダウンしてクールダウンするための最も効果的な方法の一つは、彼の3ガスを液化することである。サブケルビン温度に達する多くの実験では問題ではありませんが、熱放射以来、超低温の主敵は、効果的に遮蔽することができる。残念ながら、これは光電子分光実験ではそうではありません。私たちは、入ってくる光と発信電子のための自由なアクセスを提供する必要があります。これは、3 raに特別に設計されたスリットによって実現されている異なる温度を有するdiationシールド、。光子ビームと室温放射によって引き起こされる熱負荷を補うために、クライオスタットの冷却力は非常に高いはずです。これは、このように冷たい指とサンプルを冷却、液体ヘリウム3上記の蒸気圧を軽減する2つのポンプの非常に大きな排気速度によって達成される。私たちの彼3システムの設計仕様は、それが最も強力な世界的に作る。それは、おそらく1つは "寒い目に見える"、室温の窓から1 K冷たい面を見ることができる地球上で唯一の場所です。
現代の光電子分光実験のスケッチを図1に示します。シンクロトロンのビームは（緑色の破線）が1 K冷試料の表面と励起光電子を照らす。電子は角度の面（イエロー、マゼンタ、シアンのトレースdiffereに対応でソート、半球型分析器の入射スリットに投影されntの傾斜角度）、次に運動エネルギーの観点から検討を行った。 図2は、チルト角と運動エネルギーの関数としての典型的な強度分布を示す。この材料のバンド構造計算との比較（右パネル）を示していますので、このような強度分布は確かに期待されています。これは、逆格子空間に我々のウィンドウです。
レンズと半球上の電圧を走査し、縦軸（極角）の周りに試料を回転させることにより、我々は広範な結合エネルギー範囲だけでなく、これまでになく詳細で逆空間の広い領域を探索することができます。特に、チルト、極角から算出した面内運動量の両方のコンポーネントの関数としてフェルミレベルで強度をプロットする、我々は、フェルミ面（FS）に直接アクセスすることができます。
我々は実験的な量は"trueからかもしれないどの程度までの実験者の最善の見積りを理解して "不確実性"の下で*値。 "
最大8 GeVの – **低エネルギーリングは〜0.8 GeVの高エネルギーの1のエネルギーを持つことができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
上に示されているように、実装された方法は、単結晶の低エネルギーの電子構造を研究する上で非常に効率的です。最近の楽器の改良が洗練された多体分光法に単なるキャラとバンドマッピングツールからARPESを向けている。近代的な実験は、固体または精度の新たなレベルを有するナノオブジェクトの電子構造についての情報を提供しています。金属の場合のフェルミ面へのアクセスは、?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
私たちは感謝してロルフFollath、ローランド·ヒューベル、K.モーラ、ドミトロInosov、イェルク·フィンク、アンドレアスKoitzsch、ベルント·ブフナー、アンドレイVarykhalov、エミールRienks、オリバーレーダー、セッティThirupathaiah、デニスVyalikh、セルゲイMolodtsov、クレメンスLaubschat、ラモーナの助けを承諾ウェーバー、ヘルマン·デュール、ヴォルフガング·エーベルハルト、クリスチャンユング、トーマスブルーメ、ゲルトライヒャルト、デビッド·バチェラー、甲斐Godehusen、マーティンクニュプファー、ステファンLeßny、ディルクLindackers、ステファン·レジェ、ラルフフォクトレンダー、 "1-Cubedの"プロジェクトを構想ロニーSchönfelder、 、設計、建設及びビームラインおよびエンドステーションだけでなく、提供される組織およびユーザサポートを依頼した。
プロジェクト "ARPES 1-Cubedのは"だけでなく、直接BESSYIIとIFW-ドレスデンとしてBMBF助成 "高分解能ARPES"によって資金を供給されています。この特定作業はDFG優先プログラムSPP1458によってサポートされていました、ZA 654/1-1、BO1912/3-1とBO1912/2-2を付与します。 ECおよびBPD番目旅行資金のためにヨハネスブルグ大学の理学部をANK。 MAMA – AV、RFおよびMCはグラント契約N. 264098の下、EU -FP7/2007-2013からサポートを承諾。
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
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