Eksperimentelle metoder for Spin - og vinkel-løst Photoemission spektroskopi kombinert med polarisering variabel Laser
Summary
Her kombineres polarisering variabel 7-eV laser med spin – og vinkel-løst photoemission teknikk for å visualisere spin-orbital kopling effekten i solid stater.
Abstract
Målet med denne protokollen er å presentere hvordan du utfører spin – og vinkel-løst photoemission spektroskopi kombinert med polarisering variabel 7-eV laser (laser-SARPES), og viser en strøm av denne teknikken for å studere robust begrunne fysikk. Laser-SARPES oppnår to store evner. Først ved å undersøke orbital utvalgsregel lineært polarisert lasere, kan orbital selektiv eksitasjon utføres i SAPRES eksperiment. Dernest kan teknikken vise fullstendig informasjon av en variant av spin quantum aksen som en funksjon av lys polarisering. For å demonstrere makt i samarbeid med disse evnene i laser-SARPES, bruker vi denne teknikken for undersøkelser av spin-bane kombinert overflate statene Bi2Se3. Denne teknikken gir oppløse spinn og orbital komponenter fra spin-bane kombinert wavefunctions. Videre, som en representant fordelen av benytter direkte spinn deteksjon samarbeidet med polarisering variabel laser, teknikken utvetydig visualiserer lys polarisering avhengigheten av spin quantum aksen i tre-dimensjon. Laser-SARPES øker dramatisk en evne photoemission teknikk.
Introduction
Vinkel-løst photoemission spektroskopi (ARPES) teknikken har utviklet seg til en av de kraftigste verktøyet å undersøke quasiparticle band strukturer i solid states1. Mest av attraktiv funksjon i ARPES er evnen for bandet kartlegging å karakterisere elektronisk stater i energi og fart. Spin-løst ARPES (SARPES), som er her utstyrt med spin-detektorer, f.eks. Mott detektor2,3, videre kan vi løse spinn tegnet av observerte bandet strukturer4. Siden Mott detektoren kan måle spinn med to akser (x og z, eller y og z), gjør kombinasjonen av de to Mott detektorer videre det mulig å få spinn retning i tre dimensjon4,5 . For flere tiår, men SARPES eksperimenter led av deres lav effektivitet (vanligvis 1/10000 forhold for spin-integrert ARPES måling)3,4,5,6 ,7, som hadde begrenset energi og kantete løsninger. Nylig har energi oppløsningen på SARPES økt med en høy-effektive spinn detektor basert på utveksling spredning, den såkalte svært lav-energi elektron-Diffraksjon (VLEED) detektor7,8,9 ,10. Med denne detektor, datakvaliteten har blitt forbedret og data oppkjøpet tiden har blitt forkortet. Nylig lyktes SARPES sterkt for å løse spin-polarisert elektronisk stater og spesielt spin-bane kopling effekt som resulterer i spin teksturen av overflaten band7.
Her, brukes SARPES mål med en polarisering variabel vakuum ultrafiolett laser lys (laser-SARPES) og vise de store fordelene med denne kombinerte teknikken. Gjennom undersøkelse om spinn-bane kombinert overflate stater i Bi2Se3presenterer vi to egenskapene til laser-SARPES. Først på grunn av orbital utvalgsregelen lineært polarisert lasere i dipol overgang regimet, p– og s-polarisert lys selektivt opphisse en del av eigen-wavefunctions med forskjellige orbital symmetri. Slike en orbital selektiv excitation er dermed tilgjengelig i SARPES, nemlig orbital-selektive SARPES. Andre tredimensjonale (3D) spin-påvisning i SARPES viser spinn quantum aksen og direkte viser fullstendig informasjon av lys-polarisering avhengighet. I denne protokollen beskrive vi kort en metodikk for å utføre denne state-of-the-art laser-SARPES teknikk for å studere sterk spin-bane kopling virkningene.
Laser-SARPES systemet ligger ved Institutt for Solid State fysikk, Universitetet i Tokyo11. Skjematisk tegning av vår laser-SAPRES maskin er vist i figur 1. Den polarisering variabel 7-eV laser lys12 lyser eksempel overflaten og photoelectrons ut fra utvalget. Polarisering av laser kontrolleres automatisk av MgF2– basert λ/2- og λ/4-waveplates selektivt bruke lineære og sirkulære polarisasjonene. En hemisfæriske elektron analyzer korrigerer photoelectrons og analyserer sine kinetisk energi (Ekin) og utslipp vinkel (θx og θy). Photoelectron intensitet tilordnes på den Ekin–θx skjermen overvåket av en CCD kamera. Dette bildet omdannes direkte til energi bandet strukturen i gjensidige plass.
SARPES måling, photoelectrons med en bestemt utslipp vinkel og kinetisk energi analysert av elektron analyseringen er guidet til to VLEED-type spin detektorer med en 90-graders photoelectron deflektor og photoelectron bjelker er fokusert på to ulike mål Fe(001) –p(1 × 1) filmer av oksygen. Photoelectrons reflekteres av målene oppdages i enkeltkanals gjenkjenning ved hjelp av en channeltron plassert i hvert spinn detektor. VLEED mål kan magnetized med Helmholtz-type elektrisk spoler som er ordnet med ortogonale geometri forhold til hverandre. Magnetization retning kontrolleres av bipolar kondensatoren banken. De doble VLEED spin detektorer gjøre og dermed oss å analysere spin-polarisering vektoren for photoelectron i tre dimensjoner.
Protocol
Representative Results
Discussion
ARPES og SARPES har vært vanlig for å studere elektronisk bandet strukturer gjennom bandet kartlegging og spinn-gjenkjenning1,2. I tillegg til de generelle fordelene ovenfor, kan laser-SARPES basert på orbital utvalgsregelen i optisk dipol eksitasjon benyttes som en teknikken for å visualisere spin-orbital kopling effekten i wavefunction og quantum spinn forstyrrelser . Som vist i figur 9 og 10, polarisering av …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker M. Nakayama, S. Toyohisa, A. Fukushima og Y. Ishida for støtter eksperimentelle oppsettet. Vi erkjenner takknemlig finansiering fra JSP Grantin-hjelp for vitenskapelig forskning (B) gjennom prosjektet nr. 26287061 og for unge forskere (B) gjennom prosjektet nr 15K 17675. Dette arbeidet ble også støttet av MEXT i Japan (nyskapende området “topologisk materialer vitenskap,” gi nr 16 H 00979) og JSPS KAKENHI (Grant nr 16 H 02209)
Materials
| DA30-L hemispherical analyzer | ScientaOmicron | http://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170 | |
| Silver-based epoxy | Epoxy Technology | H20E | |
| Sctoch tape | 3M | 801-1-18C | |
| UHV valve | VAT | 01034-KE01 | |
| linear/rotary feedthrough | Ferrovac | MD40 | |
| transfer rod | UHV design | PP series | |
| wobble stick | Ferrovac | WM40 | |
| Paladin compact 355 | Coherent | ||
| half waveplate | Kogakugiken | order made | |
| Bipolar condenser bank | Tsuji electronics |
References
- Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -. X. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors. Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).
- Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -. G., Kakizaki, A. A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency. Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).
- Dil, J. H. Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems. J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001 (2009).
- Hoesch, M., et al. Spin-polarized Fermi surface mapping. J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).
- Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector. Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101 (2010).
- Okuda, T., Kimura, A. Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002 (2013).
- Okuda, T., et al. A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution. Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117 (2008).
- Jozwiak, C., et al. A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry. Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904 (2010).
- Okuda, T., et al. Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center. Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302 (2011).
- Yaji, K., et al. High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light. Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111 (2016).
- Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy. J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001 (2015).
- Augustine, S., Mathai, E. Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals. Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).
- Hasan, M. Z., Kane, C. L. Colloquium: Topological insulators. Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).
- Ando, Y. Topological insulator materials. J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011 (2013).
- Zhang, H., Liu, C. -. X., Qi, X. -. L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -. C. Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface. Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).
- Cao, Y., et al. Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators. Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).
- Zhang, H., Liu, C. -. X., Zhang, S. -. C. Spin-orbital texture in topological insulators. Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801 (2013).
- Kuroda, K., et al. Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3. Phys. Rev. B. 94 (16), 165162 (2016).
- Meier, F., et al. Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys. J Phys-Condens Mat. 23 (7), 072207 (2011).
- Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature. J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).
- Yaji, K., et al. Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states. Nature Commun. 8, 14588 (2017).
- Noguchi, R., et al. Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states. Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R) (2017).
