Vinkel-løst photoemission spektroskopi ved ekstremt lave temperaturer
Summary
Det overordnede mål med denne metode er at bestemme den lav-energi elektronisk struktur af faste stoffer ved ultra-lave temperaturer ved hjælp af vinkel-løst photoemission Spektroskopi med synkrotronstråling.
Abstract
De fysiske egenskaber af et materiale, der er defineret ved sin elektroniske struktur. Elektroner i faststoffer er karakteriseret ved energi (ω) og momentum (k) og sandsynligheden for at finde dem i en bestemt tilstand med given ω og k er beskrevet af den spektrale funktion A (k, ω). Denne funktion kan direkte måles i et eksperiment baseret på den velkendte fotoelektriske effekt, for den forklaring, som Albert Einstein modtog Nobelprisen tilbage i 1921. I den fotoelektriske effekt den lyste på en overflade skubber elektroner fra materialet. Ifølge Einstein, giver energibesparelser til at bestemme energien i en elektron inde i prøven, forudsat energien af lyset foton og kinetisk energi af det udgående fotoelektron er kendte. Impulsbevarelse gør det også muligt at beregne k for den til MomenTum af fotoelektron ved at måle den vinkel, ved hvilken fotoelektron forlod overfladen. Den moderne version af denne teknik kaldes Vinkel-løst photoemission spektroskopi (ARPES) og udnytter både bevarelseslove for at bestemme den elektroniske struktur, dvs energi og momentum af elektroner inde i faststof. For at løse de oplysninger afgørende for at forstå de aktuelle problemer i faststoffysik, tre mængder skal derfor minimeres: usikkerhed * i foton energi, usikkerhed i kinetisk energi af fotoelektroner og temperatur af prøven.
I vores tilgang, vi kombinere tre seneste resultater inden for synkrotronstråling, overflade videnskab og cryogenics. Vi bruger synkrotronstråling med afstemmelige fotonenergi bidrager en usikkerhed på i størrelsesordenen 1 MeV, en elektron energi analysator, som registrerer de kinetiske energi med en præcision på omkring 1 MeV og en han 3 kryostat whICH giver os mulighed for at holde temperaturen af prøven under 1 K. Vi diskuterer de eksempelvise resultater vedrørende enkeltkrystaller af Sr2 RUO 4 og nogle andre materialer. Den elektroniske struktur af dette materiale kan bestemmes med en hidtil uset klarhed.
Introduction
Dag ARPES er almindeligt anvendt til at bestemme den elektroniske struktur af faste stoffer. Normalt er forskellige variationer af denne fremgangsmåde er defineret af kilden til stråling er nødvendig til at excitere elektroner. Vi bruger synkrotronstråling da det giver en enestående mulighed for at justere polarisering og excitation fotonenergi i et bredt energiområde, og er kendetegnet ved høj intensitet, lille båndbredde (usikkerhed i energi hn), og det kan samles til en smal stråle til at indsamle fotoelektronerne fra en plet af et par snese mikron. Synkrotronstråling genereres i elektron opbevaring ringe tvinger elektroner cirkulerer i ringen med en energi i størrelsesordenen 2 GeV ** til at passere gennem regelmæssige arrangementer af stærke magneter (undulators). Magnetfeltet afbøjer elektronerne og når sådanne hurtige elektroner ændre deres retning, de udsender stråling. Netop denne stråling derefter rettes ind i den såkaldte beamline hvor den yderligere monochromatizedaf et diffraktionsgitter og fokuseret på overfladen af prøven af flere spejle. Der er mange sådanne faciliteter rundt om i verden. Vores endelige station er placeret i en af de beamlines af Bessy lagerring som hører til Helmholtz-Zentrum Berlin.
Kernen i denne ARPES facilitet er elektron-energi analysator (Figur 1). Da vi er interesseret i både kinetisk energi og vinkel, hvor elektroner forlader overfladen, er det meget bekvemt at finde dem på en måling. En meget enkel princip gør denne tilgang til en realitet. Som en grundliggende forsøg med en optisk linse, som fokuserer en plan bølge i det punkt i ryggen brændplan således udfører rumlige Fourier-transformation, elektronen optiske linse projekter elektroner, der har forladt overfladen ved særlig vinkel i forhold til et punkt i brændplanet ( figur 1). På en sådan måde, vi får adgang til ensidig, dvs momentum, plads. The distance fra den fremadgående retning i brændplanet svarer til den vinkel og dermed dynamikken i fotoelektron. Nu elektronerne skal analyseres med hensyn til energi. Til dette formål indgangsslidsen af den halvkugleformede analysatoren er placeret nøjagtigt i brændplanet af det elektron optiske linse. Spændinger på to halvkugler er valgt således, at kun elektroner med særlig kinetiske energi (flyt energi) vil blive styret nøjagtigt i midten af to halvkugler og jord på den centrale linie i det todimensionale detektor. Dem, der er hurtigere vil ramme detektoren tættere på den ydre halvkugle, sådanne, som er langsommere vil blive afbøjet mod den indre halvkugle. På en sådan måde, vi kan få photoemission intensitetsfordeling som en funktion af vinkel og kinetisk energi på samme tid.
Den største fordel ved vores tilgang i forhold til eksisterende metoder er brugen af det han 3 cryomanipulator. Der er mindst to grunde til at udføre out målinger ved lave temperaturer. Jo højere temperaturen af materialet, jo mere udtværet de elektroniske tilstande bliver i energi og momentum. For at bestemme den elektroniske struktur med høj præcision denne temperatur udvidelse skal undgås. Også mange fysiske egenskaber er temperaturafhængige, nogle bestilling fænomener, der er fastsat i ved lave temperaturer og kendskabet til den elektroniske struktur i jorden systemets tilstand, dvs ved T = 0, er af fundamental betydning. En af de mest effektive måder at køle ned prøven ned til tiendedele af et Kelvin er at smelte Han 3 gas. I mange forsøg nåede sub-Kelvin-temperaturer ikke er et problem, da varmestrålingen, hovedfjenden af ultra-lave temperaturer, kan effektivt afskærmet. Desværre er dette ikke tilfældet i fotoemission eksperimenter. Vi er nødt til at give fri adgang for indkommende lys og udgående elektroner. Dette realiseres ved specialdesignede slidser i tre rastråling skjolde, som har forskellige temperaturer. For at kompensere for den varmebelastning forårsaget af fotonstråler og stuetemperatur stråling bør køleeffekt af kryostaten være meget høj. Dette opnås ved det meget store pumpehastighed af to pumper, som reducerer damptrykket over væsken han 3, hvorved afkøling af den kolde finger og prøve. De design specifikationer af vores Han 3-system gør den til den mest magtfulde i verden. Det er måske det eneste sted på planeten, hvor man kan se en 1 K kold overflade gennem en rumtemperatur vindue, den "koldeste synlig".
Skitsen af den moderne photoemission eksperiment er vist i figur 1.. The synkrotron stråle (stiplet grøn linje) oplyser 1 K kold overflade af prøven og begejstrer fotoelektroner. Elektroner forventes at indgangsslidsen af den halvkugleformede analysator, sorteres i form af vinklen (gul, magenta og cyan spor svarer til Forskelnt hældningsvinkler) og derefter analyseres i form af kinetisk energi. Figur 2 viser typiske intensitetsfordeling som funktion af hældningsvinklen og kinetisk energi. En sådan intensitet distribution er faktisk forventet, idet sammenligning med bandets struktur beregninger af dette materiale viser (højre panel). Dette er vores vindue ind i gensidig rum.
Ved at scanne spændinger på objektivet og halvkugler og dreje prøven omkring den lodrette akse (polar vinkel) kan vi udforske det brede bindingsenergi range samt brede områder af gensidig rum med hidtil usete detaljer. Især plotte intensitet på Fermi-niveauet som funktion af begge komponenter af i plan momentum, beregnet ud fra vippe-og polære vinkler vi har direkte adgang til Fermi overflade (FS).
* Under "usikkerhed" vi forstår eksperimentatoren bedste skøn over, hvor langt en eksperimentel mængde kan være fra den "sandeværdi. "
** Den lavenergi-ring kan have en energi på ~ 0,8 GeV, højenergi-one – op til 8 GeV.
Protocol
Representative Results
Discussion
Som vist ovenfor er implementeret fremgangsmåde er meget effektiv i at studere lav-energi elektroniske struktur af enkelte krystaller. Nylige instrumentale forbedringer har vendt ARPES fra en simpel karakterisering og band-mapping værktøj til en avanceret mange-legeme spektroskopi. En moderne eksperiment leverer oplysninger om den elektroniske struktur af en fast eller en nano-objekt med et nyt niveau af præcision. Adgang til Fermi overflade i tilfælde af et metal, energi huller af halvledere og isolatorer, deres o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi anerkender taknemmeligt hjælp fra Rolf Follath, Roland Hübel, K. Mohler, Dmytro Inosov, Jörg Fink, Andreas Koitzsch, Bernd Büchner, Andrei Varykhalov, Emile Rienks, Oliver Rader, Setti Thirupathaiah, Denis Vyalikh, Sergey Molodtsov, Clemens Laubschat, Ramona Weber, Hermann Dürr, Wolfgang Eberhardt, Christian Jung, Thomas Blume, Gerd Reichardt, David Batchelor, Kai Godehusen, Martin Knupfer, Stefan Leßny, Dirk Lindackers, Stefan Leger, Ralf Voigtländer, Ronny Schönfelder, der udtænkte "1-kubik"-projektet , udformet, konstrueret og bestilte beamline og slut-station samt forsynet organisatorisk og brugersupport.
Projektet "1-kubik ARPES" er blevet finansieret af BMBF tilskud "højeste opløsning ARPES" samt direkte ved BESSYII og IFW-Dresden. Denne særlige arbejde blev støttet af DFG prioriterede program SPP1458, giver ZA 654/1-1, BO1912/3-1 og BO1912/2-2. EF og BPD thANK Det Naturvidenskabelige Fakultet på universitetet i Johannesburg til rejse finansiering. AV, RF og MC anerkender støtte fra EU -FP7/2007-2013 under tilskudsaftale N. 264.098 – MAMA.
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).
