कोण - हल photoemission स्पेक्ट्रोस्कोपी अल्ट्रा कम तापमान पर
Summary
इस विधि के समग्र लक्ष्य के लिए कम ऊर्जा की संरचना इलेक्ट्रॉनिक सिंक्रोटॉन विकिरण के साथ कोण – हल photoemission स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग अल्ट्रा कम तापमान पर ठोस निर्धारित है.
Abstract
एक सामग्री के भौतिक गुणों उसके इलेक्ट्रॉनिक संरचना से परिभाषित कर रहे हैं. ठोस में इलेक्ट्रॉनों (ω) ऊर्जा और गति (कश्मीर) और दिया ω और कश्मीर के साथ एक विशेष राज्य में उन्हें खोजने संभावना हैं विशेषता द्वारा वर्णक्रमीय समारोह द्वारा वर्णित है (कश्मीर, ω). इस समारोह में सीधे एक प्रसिद्ध photoelectric प्रभाव पर आधारित प्रयोग में मापा जा सकता है विवरण के अल्बर्ट आइंस्टीन नोबेल पुरस्कार 1921 में वापस प्राप्त के लिए,. Photoelectric प्रभाव में एक सतह पर प्रकाश shone सामग्री से इलेक्ट्रॉनों ejects. आइंस्टीन के अनुसार, ऊर्जा संरक्षण एक नमूना अंदर एक इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा का निर्धारण करने के लिए अनुमति देता है, प्रकाश फोटॉन और निवर्तमान photoelectron की गतिज ऊर्जा जाना जाता है की ऊर्जा प्रदान की है. गति संरक्षण यह भी संभव है momen से संबंधित कश्मीर अनुमान बनाता हैphotoelectron कोण जिस पर photoelectron सतह छोड़ दिया मापने के द्वारा तुम. इस तकनीक के आधुनिक संस्करण कोण हल photoemission स्पेक्ट्रोस्कोपी (ARPES) कहा जाता है और दोनों संरक्षण कानून का लाभ उठाते क्रम में इलेक्ट्रॉनिक संरचना का निर्धारण, यानी ऊर्जा और ठोस के अंदर इलेक्ट्रॉनों की गति. आदेश में संघनित पदार्थ भौतिकी के सामयिक समस्याओं को समझने के लिए महत्वपूर्ण जानकारी को हल करने के लिए, तीन मात्रा को कम से कम किया जाना चाहिए: फोटान ऊर्जा में अनिश्चितता *, photoelectrons और नमूना के तापमान की गतिज ऊर्जा में अनिश्चितता.
हमारे दृष्टिकोण में हम तीन सिंक्रोटॉन विकिरण, सतह विज्ञान और cryogenics के क्षेत्र में हाल की उपलब्धियों गठबंधन. हम tunable फोटान ऊर्जा 1 MeV, एक इलेक्ट्रॉन ऊर्जा विश्लेषक जो 1 MeV के आदेश के एक परिशुद्धता के साथ गतिज ऊर्जा का पता लगाता है और वह एक 3 cryostat क के आदेश के एक अनिश्चितता के योगदान के साथ सिंक्रोटॉन विकिरण का उपयोग करेंआईसीएच हमें 1 लालकृष्ण नीचे नमूना के तापमान पर रखने के लिए हम अनुकरणीय सीनियर 2 4 RUO और कुछ अन्य सामग्री के एकल क्रिस्टल पर प्राप्त परिणामों पर चर्चा करने के लिए अनुमति देता है. इस सामग्री का इलेक्ट्रॉनिक संरचना एक अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ निर्धारित किया जा सकता है.
Introduction
आजकल ARPES व्यापक रूप से ठोस इलेक्ट्रॉनिक संरचना का निर्धारण किया जाता है. आमतौर पर, इस विधि के विभिन्न रूपों इलेक्ट्रॉनों उत्तेजित के लिए आवश्यक विकिरण के स्रोत से परिभाषित कर रहे हैं. हम सिंक्रोटॉन विकिरण के बाद से वह एक ऊर्जा विस्तृत रेंज में ध्रुवीकरण और उत्तेजना फोटान ऊर्जा धुन के लिए एक अद्वितीय अवसर प्रदान करता है और उच्च तीव्रता, छोटे बैंडविड्थ (अनिश्चितता में ऊर्जा hn) द्वारा विशेषता है और एकत्र करने के के लिए यह एक संकीर्ण बीम ध्यान केंद्रित किया जा सकता है microns के कुछ दसियों के एक जगह से photoelectrons. सिंक्रोट्रॉन विकिरण इलेक्ट्रॉन भंडारण मजबूर GeV 2 के आदेश के एक ऊर्जा के साथ रिंग में घूम इलेक्ट्रॉनों मजबूत मैग्नेट (undulators) की आवधिक व्यवस्था के माध्यम से पारित ** छल्ले में उत्पन्न होता है. चुंबकीय क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों deflects और जब ऐसे तेजी से इलेक्ट्रॉनों अपनी दिशा बदलने के वे विकिरण फेंकना. वास्तव में यह विकिरण तो तथाकथित beamline जहां यह आगे monochromatized है में निर्देशित हैएक विवर्तन झंझरी और कई दर्पण द्वारा नमूना की सतह पर ध्यान केंद्रित किया. वहाँ दुनिया भर के कई ऐसी सुविधाएं हैं. हमारे अंत स्टेशन एक Bessy भंडारण अंगूठी जो Helmholtz Zentrum बर्लिन है की beamlines में स्थित है.
ARPES की इस सुविधा का दिल इलेक्ट्रॉन ऊर्जा विश्लेषक (1 चित्रा) है. चूंकि हम दोनों गतिज ऊर्जा और कोण जिस पर इलेक्ट्रॉनों छुट्टी सतह में रुचि रखते हैं, यह बहुत सुविधाजनक है के लिए उन्हें एक माप में पता लगाने. एक बहुत ही सरल सिद्धांत इस दृष्टिकोण एक वास्तविकता बनाता है. एक ऑप्टिकल लेंस, जो बिंदु में वापस नाभीय विमान में एक हवाई जहाज की लहर इस प्रकार स्थानिक फूरियर परिवर्तन, इलेक्ट्रॉन ऑप्टिकल लेंस परियोजनाओं इलेक्ट्रॉनों जो फोकल हवाई जहाज़ में एक बिंदु पर विशेष कोण पर सतह छोड़ दिया प्रदर्शन ध्यान केंद्रित के साथ एक बुनियादी प्रयोग के रूप में ( चित्रा 1). ऐसे में हम पारस्परिक, यानी गति, अंतरिक्ष उपयोग हासिल. distanफोकल हवाई जहाज़ में आगे की दिशा से CE कोण करने के लिए और इस तरह photoelectron की गति के लिए मेल खाती है. अब इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा के मामले में विश्लेषण किया जा है. इस प्रयोजन के लिए अर्धगोल विश्लेषक के प्रवेश द्वार भट्ठा बिल्कुल इलेक्ट्रॉन ऑप्टिकल लेंस के फोकल हवाई जहाज़ में रखा गया है. दो गोलार्द्धों पर voltages ऐसे चुना जाता है कि विशेष रूप से गतिज ऊर्जा (ऊर्जा गुजारें) के साथ ही इलेक्ट्रॉनों दोनों गोलार्द्धों और दो आयामी डिटेक्टर के मध्य लाइन पर देश के बीच में वास्तव में निर्देशित किया जाएगा. वो जो तेजी से कर रहे हैं करीब बाहरी गोलार्द्ध डिटेक्टर मारा जाएगा, उन है जो धीमी गति से कर रहे हैं आंतरिक गोलार्द्ध की ओर सीधे रास्ते से फिर जाएगा. ऐसे में हम कोण और गतिज ऊर्जा के एक समारोह के रूप photoemission तीव्रता वितरण एक साथ मिल सकता है.
मौजूदा तरीकों पर हमारे दृष्टिकोण का मुख्य लाभ वह 3 cryomanipulator का उपयोग है. वहाँ कम से कम दो कारणों को कहां ले रहे हैंकम तापमान पर माप टी. सामग्री के उच्च तापमान, इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा और गति में बन राज्यों के बाहर और अधिक लिप्त है. इस को विस्तृत बनाने के तापमान को टाला जा सकता है उच्च परिशुद्धता के साथ इलेक्ट्रॉनिक संरचना का निर्धारण करते हैं. इसके अलावा, कई शारीरिक गुण तापमान निर्भर कर रहे हैं, कम तापमान और प्रणाली की जमीन राज्य में इलेक्ट्रॉनिक संरचना का ज्ञान, यानी टी = 0, बुनियादी महत्व की है पर कुछ आदेश देने में सेट घटना. सबसे प्रभावी तरीकों में से एक के लिए नीचे एक केल्विन दसवां नमूना नीचे शांत करने के लिए वह 3 गैस दव्र बनाना है. में कई प्रयोगों उप केल्विन तापमान तक पहुँचने एक समस्या नहीं है, के बाद से थर्मल विकिरण, अल्ट्रा कम तापमान के मुख्य दुश्मन, प्रभावी ढंग से परिरक्षित किया जा सकता है. दुर्भाग्य से, इस photoemission प्रयोगों में मामला नहीं है. हम आने वाली प्रकाश और बाहर जाने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए मुक्त पहुँच प्रदान करने की आवश्यकता है. यह विशेष रूप से डिजाइन slits ra में तीन का एहसास हो रहा हैdiation ढाल, अलग तापमान होने. आदेश में गर्मी फोटॉन बीम और कमरे के तापमान विकिरण की वजह से लोड करने के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए, cryostat के शीतलन शक्ति बहुत अधिक होना चाहिए. यह बहुत बड़ी दो पंपों के पंप की गति है, जो तरल के ऊपर 3 वह वाष्प दबाव को कम कर देता है और इस प्रकार ठंड उंगली और नमूना ठंडा द्वारा हासिल की है. हमारे वह 3 प्रणाली के डिजाइन विनिर्देशों यह दुनिया भर में सबसे शक्तिशाली बनाते हैं. यह शायद एक एक कमरे के तापमान खिड़की के माध्यम से जहां एक 1 कश्मीर ठंड सतह देखते हैं, "ठंडे दिखाई" कर सकते हैं ग्रह पर ही जगह है.
आधुनिक photoemission प्रयोग के स्केच चित्र 1 में दिखाया गया है. सिंक्रोटॉन बीम (धराशायी हरे रंग की लाइन) 1 कश्मीर नमूना और उत्तेजित photoelectrons की ठंड सतह illuminates. इलेक्ट्रॉनों अर्धगोल विश्लेषक के प्रवेश द्वार भट्ठा, कोण के मामले (में हल करने के लिए पेश कर रहे हैं पीला Magenta, सियान और निशान differe अनुरूपNT के झुकाव) कोण और फिर गतिज ऊर्जा के संदर्भ में विश्लेषण कर रहे चित्रा 2 झुकाव कोण और गतिज ऊर्जा के एक समारोह के रूप में विशिष्ट तीव्रता वितरण से पता चलता है. वास्तव में इस तरह के एक वितरण तीव्रता के रूप में इस सामग्री का बैंड संरचना की गणना के साथ तुलना से पता चलता है (सही पैनल) की उम्मीद है. यह हमारे पारस्परिक अंतरिक्ष में खिड़की है.
लेंस और गोलार्द्धों पर voltages स्कैनिंग और ऊर्ध्वाधर अक्ष के चारों ओर नमूना घूर्णन (ध्रुवीय कोण) हम व्यापक बंधन ऊर्जा रेंज के रूप में अभूतपूर्व विस्तार के साथ पारस्परिक अंतरिक्ष की व्यापक क्षेत्रों के रूप में अच्छी तरह से पता कर सकते हैं. विशेष रूप से, गति में विमान, झुकाव और ध्रुवीय कोण से गणना के दोनों घटकों के एक समारोह के रूप में फर्मी स्तर पर तीव्रता की साजिश रचने, हम फर्मी सतह (एफएस) के लिए सीधी पहुँच है.
* "अनिश्चितता" के अंतर्गत हम experimenter कितनी दूर एक प्रयोगात्मक मात्रा "सच से हो सकता है का सबसे अच्छा अनुमान को समझते हैंमूल्य. "
GeV करने के लिए 8 – ** कम ऊर्जा अंगूठी ~ 0.8 GeV, एक उच्च ऊर्जा के एक ऊर्जा हो सकता है.
Protocol
Representative Results
Discussion
जैसा कि ऊपर दिखाया गया है, लागू विधि कम ऊर्जा एकल क्रिस्टल के इलेक्ट्रॉनिक संरचना का अध्ययन करने में बहुत कुशल है. हाल ही में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई सुधार एक परिष्कृत स्पेक्ट्रोस्कोपी कई शरीर में एक ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We gratefully acknowledge the help of Rolf Follath, Roland Hübel, K. Möhler, 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, who conceived the “1-cubed” project, designed, constructed and commissioned the beamline and end-station as well as provided organizational and user support.
The project “1-cubed ARPES” has been funded by BMBF grant “Highest Resolution ARPES” as well as directly by BESSYII and IFW-Dresden. This particular work was supported by the DFG priority program SPP1458, grants ZA 654/1-1, BO1912/3-1 and BO1912/2-2. E.C. and B.P.D. thank the Faculty of Science at the University of Johannesburg for travel funding. A.V., R.F. and M.C. acknowledge support from the EU -FP7/2007-2013 under grant agreement N. 264098 – 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
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