Experimentella metoder för spinn - och vinkel-löst Photoemission spektroskopi kombinerat med polarisering-variabel Laser
Summary
Här kombinerar vi polarisering-variabel 7-eV laser med spinn – och vinkel-löst photoemission teknik för att visualisera spin-orbital koppling effekten i solid staterna.
Abstract
Målet med detta protokoll är att presentera Hur du utför spinn – och vinkel-löst photoemission spektroskopi kombinerat med polarisering-variabel 7-eV laser (laser-SARPES), och visar en effekt av denna teknik för att studera fasta tillståndets fysik. Laser-SARPES uppnår två bra funktioner. För det första genom att undersöka orbital urvalsregel av linjärt polariserad lasrar, kan orbital selektiv magnetisering bäras ut i SAPRES experiment. För det andra, tekniken kan Visa fullständig information av en variant av spin quantum axel som en funktion av den lätta polariseringen. För att demonstrera kraften i samarbete med dessa funktioner i laser-SARPES, tillämpar vi denna teknik för undersökningarna av spin-orbit tillsammans ytan påstår av Bi2Se3. Denna teknik ger sönderdelas spin och orbital komponenter från spin-orbit tillsammans vågfunktioner. Dessutom som en representativa fördelen med att använda direkta spin upptäckt samarbetat med polarisering-variabel laser, visualiserar tekniken otvetydigt ljus polarisering beroendet av den quantum rotationsaxel i tre-dimension. Laser-SARPES ökar dramatiskt en kapacitet av photoemission teknik.
Introduction
Vinkel-löst photoemission spektroskopi (ARPES) teknik har utvecklats till en av de mest kraftfulla verktyg att undersöka kvasipartikel band strukturer i solid states1. Mest av attraktiva inslag i ARPES är kapaciteten för bandet kartläggning att karakterisera elektronisk stater i energi och rörelsemängd utrymme. Spin-löst ARPES (SARPES), som här är utrustad med spinn-detektorer, t.ex. Mott detektor2,3, ytterligare kan vi lösa snurra teckenet av den observerade band strukturer4. Eftersom Mott detektorn kan mäta spin med två axlar (x och z, eller y och z), gör kombinationen av två Mott detektorerna ytterligare att man kan erhålla med spin orientering i tre dimension4,5 . Under flera decennier, men de SARPES experiment var lidit av deras låga effektivitet (vanligtvis jämfört med spin-integrerade ARPES mätning 1/10000)3,4,5,6 ,7, som hade begränsad energi och kantiga-upplösningar. Nyligen, energi upplösningen av SARPES har ökats med en hög-effektiva spin detektor baserat på exchange scattering, den så kallade mycket låg-energi-diffraktion (VLEED) detektor7,8,9 ,10. Med denna detektor, kvaliteten på uppgifterna har förbättrats avsevärt och data förvärv tiden har förkortats. Nyligen, har SARPES lyckats kraftigt för att hantera spin-polariserade elektroniska stater och särskilt spin-orbit koppling effekt vilket resulterar i spin texturen av surface band7.
Här, vi anställer SARPES mätningar med en polarisering-variabel vakuum ultraviolett laserljus (laser-SARPES) och demonstrera de stora fördelarna med denna kombinerade teknik. Genom undersökningen på spin-orbit tillsammans ytan staterna i Bi2Se3presenterar vi två funktioner av laser-SARPES. För det första på grund av orbital urvalsregeln av linjärt polariserad lasrar i dipol övergången regim, p– och s-polariserat ljus selektivt excitera en del av eigen-vågfunktioner med olika orbital symmetri. Sådan en orbital selektiv magnetisering är därmed tillgänglig i SARPES, nämligen orbital-selektiv SARPES. För det andra tredimensionella (3D) spinn-detection i SARPES visar riktningen av spin quantum axeln och direkt visar fullständig information av ljus-polarisering beroendet. I detta protokoll beskriver vi kortfattat en metod för att utföra denna state-of-the-art laser-SARPES teknik för att studera stark spin-orbit koppling effekterna.
Våra laser-SARPES system ligger vid Institutet för fasta tillståndets fysik, The University of Tokyo11. Schematisk teckning av våra laser-SAPRES maskin visas i figur 1. Den polarisering-variabel 7-eV laser ljus12 lyser prov ytan och photoelectrons avges från provet. Polariseringen av laser styrs automatiskt av MgF2– baserade λ/2- och λ/4-waveplates att selektivt använda linjära och cirkulära polarisationer. En halvsfärisk elektron analyzer korrigerar photoelectrons och analyserar sin rörelseenergi (Ekin) och spridningsvinkel (θx och θy). Stödnivåerna som fotoelektronen mappas om den Ekin–θx -skärmen som övervakas av en CCD-kamera. Denna bild är direkt omvandlas till energi bandet strukturen i ömsesidiga utrymme.
För SARPES mätning, photoelectrons med en viss spridningsvinkel och rörelseenergi som analyseras i elektron Analyzer styrs till två VLEED-typen spin detektorer med en 90-graders fotoelektronen deflektor och fotoelektronen balkar är inriktade på två olika mål av Fe(001) –p(1 × 1) filmer avslutas av syre. De photoelectrons som reflekteras av målen upptäcks i enda kanal upptäckt med hjälp av en channeltron som placeras i varje spin detektor. VLEED målen kan magnetiseras med Helmholtz-typ elektriska spolar som är ordnade med ortogonala geometri med avseende på varandra. Magnetiseringsriktning styrs av bipolär kondensator bank. Dubbel VLEED spin detektorerna möjligt därmed att analysera spin-polarisering vektorn av fotoelektronen i tre dimensioner.
Protocol
Representative Results
Discussion
ARPES och SARPES tekniker har ofta använts för att studera elektroniska bandet strukturer genom bandet kartläggning och spin-upptäckt1,2. Utöver dessa allmänna fördelar som visas ovan, kan laser-SARPES baserat på orbital urvalsregeln i optiska dipol magnetisering vara anställd som ny teknik för att visualisera spin-orbital koppling effekten i vågfunktionen och quantum spin störningen . Som framgår i figur 9 och …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar M. Nakayama, S. Toyohisa, A. Fukushima och Y. Ishida för stöd till experimentella setup. Vi tacksamt erkänna finansiering från JSPS Grantin-stödet för vetenskaplig forskning (B) genom projektet nr 26287061 och för unga forskare (B) genom projektet nr 15K 17675. Detta arbete var också stöds av MEXT av Japan (innovativa området ”topologiska material Science”, bevilja nr 16 H 00979) och 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).
