울트라 낮은 온도에서 각도 - 해결 Photoemission 분광법
Summary
이 방법의 전반적인 목표는 싱크로트론 방사와 각도 – 해결 Photoemission 분광법을 사용하여 매우 낮은 온도에서 고체의 낮은 에너지 전자 구조를 결정하는 것입니다.
Abstract
재료의 물리적 특성은 그 전자 구조에 의해 정의됩니다. 고체의 전자가 에너지 (ω)와 추진력 (K)와 주어진 ω와 k를 특정 상태에 그들을 발견 할 수있는 확률이 특징하는 것은 스펙트럼 함수에 의해 설명되어 A (K, ω). 이 기능은 직접 알버트 아인슈타인은 1921 년 다시 노벨상을받은의 설명을 들어, 잘 알려진 광전 효과에 따라 실험에서 측정 할 수 있습니다. 광전 효과에서 빛이 표면에 빛났다는 자료에서 전자를 꺼냅니다. 아인슈타인에 따르면, 에너지 절약은 하나의 샘플 내부의 전자의 에너지를 결정 할 수있는 빛을 광자와 운동 나가는 광전자의 에너지 알려져 있습니다의 에너지를 제공했습니다. 운동량 보존의 momen에 관련된 K 추정 할도 가능하게광전자가 표면을 떠난에서 각도를 측정하여 광전자의 죽을 차례. 이 기법의 현대적인 버전이 각도 – 해결 Photoemission 분광법 (ARPES) 전화 전자 구조를 결정하기 위해 모두 절약 법을 악용하고 있습니다, 즉 에너지와 고체 내부의 전자의 운동량. 압축 된 물질 물리학의 주제 문제를 이해하기위한 중요한 세부 사항을 해결하기 위해 세 수량을 최소화 할 필요가 : 광자 에너지의 불확실성의 * photoelectrons 및 샘플의 온도의 운동 에너지 불확실성이 있습니다.
우리의 접근에서 우리는 싱크로트론 방사선, 표면 과학 및 저온 학 분야에서 세 최근 성과 조화를 이루고 있습니다. 우리는 조정할 광자 에너지는 1 meV, 1 meV의 순서의 정밀도로 운동 에너지를 감지 전자 에너지 분석기 및 그 세 그라 이오 스탯 대체의 순서의 불확실성에 기여과 싱크로트론 방사를 사용하여ich은 우리가 우리 시니어 2 RuO 4 다른 자료를 하나의 크리스털에 얻은 전형적인 결과를 토론 한 K. 아래의 샘플의 온도를 유지할 수 있습니다. 이 자료의 전자 구조는 전례없는 선명도를 결정 할 수 있습니다.
Introduction
현재 ARPES 널리 고체의 전자 구조를 결정하는 데 사용됩니다. 보통이 방법의 다른 변형은 전자를 자극하기 위해 필요한 방사선의 소스에 의해 정의됩니다. 우리는 다양한 에너지 범위의 양극화와 여기 광자 에너지를 조정 할 수있는 특별한 기회를 제공하며, 높은 강도, 작은 대역폭 (에너지 HN의 불확실성)에 의해 특징 때문에 싱크로트론 방사선을 사용하고 그것은 수집 좁은 빔에 집중 할 수 있습니다 마이크론의 몇 수십의 장소에서 photoelectrons. 싱크로트론 방사는 2 GeV의 순서의 에너지 링에 순환 전자는 강력한 자석 (undulators)의 정기적 인 일정을 통과 ** 강요 전자 저장 링에서 생성됩니다. 자기 필드는 전자를 편향하고 빠른 전자가 방향을 변경할 때 방사선을 방출. 정확히이 방사선 그 다음이 더 monochromatized되는 이른바 빔라인로 이동합니다회절 격자에 의한 여러 거울에 의한 샘플의 표면에 초점을 맞추 었습니다. 세계의 많은 같은 시설이 마련되어 있습니다. 우리의 최종 역은 Helmholtz-젠트 럼 베를린에 속해있는 베시 저장 링의 beamlines 중 하나에 위치하고 있습니다.
이 ARPES 시설의 핵심은 전자 에너지 분석기 (그림 1)입니다. 우리가 전자의 표면을 떠나는 운동 에너지와 각도 모두에 관심이 있기 때문에 하나의 측정을 탐지하는 것은 매우 편리합니다. 아주 간단한 원리는이 접근법 현실 있습니다. 따라서 공간 푸리에 변환, 초점 평면의 한 지점에 특정 각도로 표면을 왼쪽 전자 광학 렌즈 사업 전자를 (수행 뒤에 초점 평면에있는 점에 비행기 파도를 초점을 맞추고 광학 렌즈와 기본 실험에서와 같이 그림 1). 이러한 방법으로 우리는 상호, 즉 운동량, 공간에 대한 액세스 권한을. distan초점 평면에서 전진 방향에서 CE는 각도로하기 때문에 광전자의 모멘텀에 해당합니다. 이제 전자 에너지의 관점에서 분석해야합니다. 이러한 목적을 위해 반구형 분석기의 입구 슬릿은 전자 광학 렌즈의 초점면에 정확히 배치됩니다. 두 반구의 전압은 특정 운동 에너지 (에너지를 이동하세요) 만 전자는 두 반구와 2 차원 검출기의 중심 라인에 땅의 중간에 정확하게 안내 할 것 같은 선택됩니다. 빠른되는 분들은 가까운 바깥 쪽 반구에 검출기를 누르 것이다; 느린되는 사람들은 내부 반구으로 편향 될 것입니다. 이러한 방법으로 우리는 동시에 각도와 운동 에너지의 함수로 photoemission 강도 분포를 얻을 수 있습니다.
기존의 방법을 통해 우리의 접근 방식의 가장 큰 장점은 그 세 cryomanipulator의 사용이다. OU를 수행하는 적어도 두 가지 이유가 있습니다t 낮은 온도에서 측정. 재료의 높은 온도, 에너지와 운동량에가 전자 주에서 더 지저분 해 졌네. 확대이 온도는 피해야하는 높은 정밀도와 전자 구조를 결정합니다. 또한, 많은 물리적 특성은 낮은 온도와 시스템의 바닥 상태에있는 전자 구조의 지식, 즉 T에서 = 0, 기본 중요합니다에에 설정된 일부 주문 현상 온도에 따라 달라집니다. 켈빈의 에바에 예제를 아래로 냉각 할 수있는 가장 효과적인 방법 중 하나는 그에게 3 가스를 액화하는 것입니다. 하위 켈빈 온도에 도달 많은 실험 문제가되지 않습니다에서 열 방사선 때문에, 매우 낮은 온도의 주요 적은 효과적으로 차폐 할 수 있습니다. 불행하게도,이 photoemission 실험의 경우되지 않습니다. 우리는 들어오는 빛과 나가는 전자를위한 무료 액세스를 제공해야합니다. 이은 세 종족으로 특별히 고안된 슬릿에 의해 실현된다diation의 방패가 발생했습니다 다른 온도. 광 자력 빔, 룸 온도 방사선에 의한 열 부하를 보상하기 위해, 그라 이오 스탯의 냉각 능력은 매우 높은해야합니다. 이것은 차가운 손가락과 샘플을 냉각 액체 그는 3 위의 증기 압력을 줄일 두 펌프의 매우 큰 펌핑 속도에 의해 달성된다. 우리 그 3 시스템의 설계 사양은 가장 강력한 세계합니다. 그것은 아마도 하나가 "추운 표시", 객실 온도 창문을 통해 1 K 차가운 표면을 볼 수있는 지구상의 유일한 곳입니다.
현대적인 photoemission 실험의 스케치는 그림 1에 표시됩니다. 싱크로트론 빔 (점선 녹색 선) 샘플과 흥분의 photoelectrons의 한 K 차가운 표면을 켜집니다. 전자는 노란색, 자홍색 및 청록색 흔적이 differe에 대응 각도의 조건 (으로 정렬 반구형 분석기의 입구 슬릿에 예상 아르그리고 NT의 기울기 각도)과는 운동 에너지의 관점에서 분석하고 있습니다. 그림 2는 기울기 각도와 운동 에너지의 함수로 일반적인 농도 분포를 보여줍니다. 이 자료의 밴드 구조 계산과 비교 (오른쪽 패널)를 보여줍니다과 같은 강도 분포는 정말 기대됩니다. 이 상호 공간에 우리의 창입니다.
렌즈와 뇌에 전압을 스캔 및 수직 축 주위의 샘플을 돌려 (극 각도) 우리는뿐만 아니라 전례없는 정밀도와 상호 공간의 다양한 지역과 다양한 바인딩 에너지 범위를 탐색 할 수 있습니다. 특히, 틸트 및 극지 각도에서 계산 인 비행기 힘의 두 구성 요소의 함수로 Fermi 수준의 강도를 음모를 꾸미고, 우리는 Fermi 표면 (FS)에 직접 액세스 할 수 있습니다.
우리는 실험 수량이 '사실로 될 수 얼마나 멀리의 실험의 최고 추정치를 이해'불확실성 '에서 *값. "
8 GeV까지 – ** 낮은 에너지 링 ~ 0.8 GeV의 고 에너지 하나의 에너지를 할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
위에 표시된 바와 같이, 구현 방법은 단일 결정의 낮은 에너지 전자 구조를 연구에 매우 효율적입니다. 최근 수단 개선 정교한 많은 몸 분광법에 불과 특성화 및 대역 매핑 도구에서 ARPES을 실현 해 나가고 있습니다. 현대적인 실험은 정밀의 새로운 수준 고체 또는 나노 물체의 전자 구조에 대한 정보를 제공합니다. 금속의 경우 Fermi 표면에 대한 액세스, 반도체와 절연체, 그들의 표면 상태, 밴드 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 굉장히 Rolf Follath, 롤랜드 Hübel, K. Möhler, 드미트로 Inosov, 요 르그 핑크, 안드레아스 Koitzsch, 번드 Büchner, 안드레이 Varykhalov, 에밀 Rienks, 올리버 Rader, Setti Thirupathaiah, 데니스 Vyalikh, 세르게이 Molodtsov, 클레멘스 Laubschat, 라모나의 도움을 인정 베버의 "1-cubed"프로젝트를 구상 헤르만 Dürr, 볼프강 Eberhardt, 기독교 정, 토마스 Blume, 게르트 Reichardt, 데이빗 Batchelor, 카이 Godehusen, 마틴 Knupfer, 스테판 Leßny, 더크 Lindackers, 스테판 Leger, 랄프 Voigtländer, 로니 Schönfelder, 설계, 건설 및 빔라인 및 최종 역뿐만 아니라 제공 조직과 사용자 지원을 의뢰했다.
이 프로젝트는 "1-cubed ARPES는"BESSYII와 IFW-Dresden의에 의해뿐만 아니라 직접으로 BMBF 부여 "최고 해상도 ARPES"의 지원을받는되었습니다. 이 특별한 작품은 DFG 우선 순위 프로그램 SPP1458에 의해 지원되었습니다 ZA 654/1-1, BO1912/3-1 및 BO1912/2-2을 부여합니다. EC 및 배럴 일여행 자금을위한 요하네스 버그 대학에서 학부를 ank. 엄마 – AV, RF 및 MC는 보조금 협정 N. 264,098 아래에있는 EU -FP7/2007-2013의 지원을 인정합니다.
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).
