Résolution angulaire spectroscopie de photoémission à très basse température

Summary

L'objectif général de cette méthode consiste à déterminer la structure à basse énergie électronique des solides à des températures ultra basses à l'aide Angle-Resolved Spectroscopy photoémission avec le rayonnement synchrotron.

Abstract

Les propriétés physiques d'un matériau sont définis par la structure électronique. Les électrons dans les solides sont caractérisés par l'énergie (ω) et de l'élan (k) et la probabilité de les trouver dans un état ​​particulier avec ω k donné et est décrite par la fonction spectrale A. (K, ω) Cette fonction peut être directement mesurée dans une expérience basée sur l'effet photoélectrique bien connu, pour l'explication de Albert Einstein, qui a reçu le prix Nobel en 1921. Dans l'effet photoélectrique la lumière brille sur une surface éjecte des électrons de la matière. Selon Einstein, l'économie d'énergie permet de déterminer l'énergie d'un électron à l'intérieur de l'échantillon, à condition que l'énergie du photon de lumière et l'énergie cinétique du photoélectron sortant sont connus. Conservation de l'impulsion, il est également possible d'estimer k it relatif à la momentum du photoélectron en mesurant l'angle selon lequel le photo-électrons quitte la surface. La version moderne de cette technique est appelée spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) et exploite les deux lois de conservation, afin de déterminer la structure électronique, de l'énergie et l'élan soit des électrons à l'intérieur du solide. Afin de résoudre les détails cruciaux pour la compréhension des problèmes actuels de la physique de la matière condensée, trois quantités doivent être minimisés: * incertitude sur l'énergie des photons, l'incertitude de l'énergie cinétique des photoélectrons et la température de l'échantillon.

Dans notre approche, nous combinons trois réalisations récentes dans le domaine du rayonnement synchrotron, science des surfaces et de la cryogénie. On utilise un rayonnement synchrotron avec l'énergie des photons accordable contribuant une incertitude de l'ordre de 1 meV, un analyseur d'énergie d'électrons, qui détecte les énergies cinétiques avec une précision de l'ordre de 1 meV et un cryostat ³ Il which nous permet de maintenir la température de l'échantillon en dessous de 1 K. Nous discutons les résultats obtenus exemplaires sur des monocristaux de Sr ₂ RuO ₄ et quelques autres matériaux. La structure électronique de ce matériau peut être déterminée avec une précision sans précédent.

Introduction

Aujourd'hui ARPES est largement utilisée pour déterminer la structure électronique des solides. Généralement, diverses variantes de ce procédé sont définis par la source de rayonnement nécessaire pour exciter les électrons. Nous utilisons le rayonnement synchrotron, car il offre une occasion unique de régler la polarisation et l'énergie des photons d'excitation dans une large gamme d'énergie et se caractérise par l'intensité élevée, faible bande passante (incertitude de l'énergie hn) et il peut être porté à un faisceau étroit de recueillir photoélectrons à partir d'une tache de quelques dizaines de microns. Le rayonnement synchrotron est généré dans les anneaux de stockage électron forçant les électrons circulent dans le ring avec une énergie de l'ordre de 2 GeV ** pour passer à travers des arrangements périodiques de puissants aimants (onduleurs). Le champ magnétique dévie les électrons et lorsque ces électrons rapides changent leur direction, ils émettent un rayonnement. Exactement ce rayonnement est ensuite dirigé dans la ligne de lumière dite où il est encore monochromatiquepar un réseau de diffraction et focalisé sur la surface de l'échantillon par plusieurs miroirs. Il ya beaucoup de ces installations à travers le monde. Notre station d'extrémité est située à une des lignes de lumière de l'anneau de stockage BESSY qui appartient à la Helmholtz-Zentrum Berlin.

Le cœur de cette installation ARPES est l'analyseur d'énergie d'électrons (figure 1). Comme nous nous intéressons à la fois l'énergie cinétique et l'angle à laquelle les électrons quittent la surface, il est très pratique pour les détecter sur une mesure. Un principe très simple qui rend cette approche une réalité. Que dans une expérience de base avec une lentille optique, qui focalise une onde plane dans le point dans le plan focal arrière ainsi réaliser une transformation de Fourier spatiale, les projets de lentille optique électronique électrons qui ont quitté la surface à un angle particulier à un point dans le plan focal ( Figure 1). De cette manière, nous avons accès à l'inverse, à savoir l'élan, de l'espace. La distanCE de la direction vers l'avant dans le plan focal correspond à l'angle, et donc de la quantité de mouvement du photoélectron. Maintenant, les électrons doivent être analysés en termes d'énergie. À cet effet, la fente d'entrée de l'analyseur hémisphérique est placé exactement dans le plan focal de la lentille optique électronique. Tensions sur deux hémisphères sont choisis de telle sorte que seuls les électrons avec une énergie cinétique particulière (passe énergie) sera guidé exactement au milieu de deux hémisphères et la terre sur la ligne centrale du détecteur à deux dimensions. Ceux qui sont plus rapides va frapper le détecteur proche de l'hémisphère externe, ceux qui sont plus lents seront déviées vers l'hémisphère intérieur. De cette manière, nous pouvons obtenir la distribution d'intensité de photoémission en fonction de l'énergie cinétique et l'angle simultanément.

Le principal avantage de notre approche par rapport aux méthodes existantes est l'utilisation de l'He ³ cryomanipulator. Il ya au moins deux raisons pour mener oust les mesures à basses températures. Plus la température de la matière, plus barbouillé sur les états électroniques deviennent de l'énergie et de l'élan. Pour déterminer la structure électronique de haute précision cette température élargissement doit être évitée. En outre, de nombreuses propriétés physiques dépendent de la température, des phénomènes d 'ordre définis dans à basse température et la connaissance de la structure électronique de l'état fondamental du système, c'est à dire à T = 0, est d'une importance fondamentale. L'un des moyens les plus efficaces pour refroidir l'échantillon jusqu'à quelques dixièmes de Kelvin est de liquéfier He ³ de gaz. Dans de nombreuses expériences atteignant la sous-Kelvin températures n'est pas un problème, puisque le rayonnement thermique, l'ennemi principal de l'ultra-basses températures, peut être efficacement protégés. Malheureusement, ce n'est pas le cas dans les expériences de photoémission. Nous avons besoin de fournir un accès libre pour la lumière incidente et les électrons sortants. Ceci est réalisé par des fentes spécialement conçues en trois radiation boucliers, ayant des températures différentes. Pour compenser la charge de la chaleur provoquée par le faisceau de photons à la température ambiante et le rayonnement, la puissance de refroidissement du cryostat doit être très élevée. Cet objectif est atteint par la vitesse de pompage très important de deux pompes qui réduisent la pression de vapeur au-dessus du liquide, il ^3, refroidissant ainsi le doigt froid et de l'échantillon. Les spécifications de conception de notre système de He ³ font le plus puissant dans le monde entier. Il est peut-être le seul endroit sur la planète où l'on peut voir une surface de 1 K froide à travers une fenêtre de température ambiante, le "plus froid visible».

Le croquis de l'expérience de photoémission moderne est illustré à la figure 1. Le rayonnement synchrotron (en pointillés ligne verte) éclaire la surface de 1 K à froid de l'échantillon et excite photoélectrons. Des électrons sont projetés à la fente d'entrée de l'analyseur hémisphérique, triés en fonction de l'angle (traces jaune, magenta et cyan correspond à différeangles d'inclinaison nt), puis sont analysés en termes d'énergie cinétique. Figure 2 montre la répartition de l'intensité typique en fonction de l'angle d'inclinaison et de l'énergie cinétique. Une telle répartition de l'intensité est en effet prévu que la comparaison avec des calculs de structure de bande de ce matériau montre (à droite). Ceci est notre fenêtre sur l'espace réciproque.

En scannant tensions sur la lentille et hémisphères et en tournant l'échantillon autour de l'axe vertical (angle polaire), nous pouvons explorer la gamme d'énergie étendue contraignant ainsi que de vastes régions de l'espace réciproque avec une précision sans précédent. En particulier, l'intensité de traçage au niveau de Fermi en fonction de deux composantes de l'impulsion dans le plan, calculé à partir des angles d'inclinaison et polaire, on a accès directement à la surface de Fermi (FS).

* Sous la rubrique «incertitude», nous entendons la meilleure estimation de l'expérimentateur de savoir jusqu'où une quantité expérimentale pourrait être du vrai "valeur. "

** La bague à faible énergie peut avoir une énergie de ~ 0,8 GeV, l'une riche en énergie – jusqu'à 8 GeV.

Protocol

1. Montage de l'échantillon Cette expérience utilise le rayonnement synchrotron produit par l'anneau de stockage BESSY du Helmholtz-Zentrum Berlin. Les photons voyager une ligne de lumière à notre station terminale où un échantillon est monté. Commencer avec un monocristal du matériau à étudier, ici ruthénate de strontium. Utiliser époxy à base d'argent pour de la colle à l'échantillon du porte-échantillon. L'époxyde à base d'argent assure un bon contact the…

Representative Results

Les températures ultra-basses de notre installation ainsi que la résolution de la ligne de lumière et un analyseur de nous permettre d'enregistrer des spectres avec une résolution globale très élevé. Ceci est illustré dans la figure 3. Le test habituel de la résolution en énergie est de mesurer la largeur du bord de Fermi d'un métal. Dans ce cas, il s'agit d'un film fraîchement évaporé indium. La largeur totale à mi-hauteur (FWHM) de la gaussienne, qui, lorsqu'elle est…

Discussion

Comme il est indiqué ci-dessus, la méthode mise en œuvre est très efficace dans l'étude de la structure électronique de faible énergie de monocristaux. Les récents progrès instrumentaux ont tourné ARPES d'une simple caractérisation et la bande outil de cartographie dans un complexe à plusieurs corps spectroscopie. Une expérience moderne fournit des informations sur la structure électronique d'un solide ou un nano-objet avec un niveau de précision. L'accès à la surface de Fermi dans le ca…

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