نحن نعترف بامتنان مساعدة من Follath رولف، Hübel رولاند، مولر K.، Inosov دميترو، فينك يورغ، Koitzsch أندرياس، بوخنر بيرند، Varykhalov اندريه اميل Rienks، أوليفر ريدر، Thirupathaiah Setti، Vyalikh دينيس، سيرغي Molodtsov، Laubschat كليمنس، رامونا ويبر، هيرمان الدر، إيبرهارت فولفغانغ يونج المسيحية، بلوم توماس، Reichardt جيرد، باتشيلور ديفيد، Godehusen كاي، Knupfer مارتن، Leßny ستيفان، Lindackers ديرك، ليجيه ستيفان، Voigtländer رالف، Schönfelder روني، الذي ابتكر &quot;1-مكعبة&quot; مشروع وتصميمها وبناؤها وكلف beamline ومحطة نهاية، فضلا عن توفير الدعم التنظيمي والمستخدم. مشروع &quot;1-مكعبة ARPES&quot; ​​تم بتمويل من منحة BMBF &quot;ARPES أعلى دقة&quot;، وكذلك مباشرة من قبل BESSYII وIFW دريسدن. وأيد هذا العمل من قبل برنامج معين الأولوية DFG SPP1458، يمنح ZA 654/1-1، وBO1912/3-1 BO1912/2-2. EC وال BPDعنخ كلية العلوم في جامعة جوهانسبرغ للتمويل السفر. AV، RF وMC الاعتراف بدعم من الاتحاد الأوروبي في إطار اتفاق -FP7/2007-2013 منحة N. 264098 - MAMA.

1. تركيب نموذج <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> هذه التجربة يستخدم الإشعاع السنكروتروني التي تنتجها الحلقة التخزين بيسي من هيلمهولتز-ZENTRUM برلين. الفوتونات السفر beamline لمحطة نهايتنا حيث يتم تحميل عينة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تبدأ الكريستال واحد من المواد التي سيتم التحقيق فيها، هنا ruthenate السترونتيوم. استخدام الفضة على أساس الايبوكسي لالغراء العينة لصاحب العينة. والايبوكسي الفضة على أساس يضمن جيدة الاتصال الحرارية والكهربائية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الغراء مصنوع من الألومنيوم أعلى آخر إلى السطح من الكريستال واحدة. سيتم استخدام آخر أعلى لأخذ عينات من يلتصق فائقة في فراغ لفضح سطح نظيف بالذرة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحميل صاحب العينة في القفل التحميل. </li></ol> 2. تحقيق فائق فراغ وعزل حراري <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بدء اخلاء قفل تحميل للحد من التلوث من فراغ الغرفة عالية جدا. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> مراقبة الضغط. وبمجرد ضغط من حوالي 10 -8 ميليبارتحقيق، ونقل الجمعية إلى الدائرة إعداد، ومن ثم إلى الاصبع الرئيسية chamber.The الباردة وحامل العينة تم تصميمها خصيصا لضمان اتصال أفضل وجه ممكن الحراري مع الهيليوم وعاء. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> هذه الإصدارات مظاهرة تبين كيف يتم تحقيق ذلك عن طريق استخدام الأسطح المخروطية لزيادة مساحة للإتصال به. يتم ضغط الأسطح المخروطية ضد بعضها البعض، ورسخت صاحب العينة والاصبع في مكان بارد باستخدام الجوز والترباس التيتانيوم. </li></ol> 3. تحديد المواقع وتبريد عينة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الخطوة التالية هي عينة المشرق في الاصبع الباردة على طول الذراع باستخدام السمت النقل. إصلاح الموقف من العينة من خلال تشديد الجوز أثناء تطبيق قوة معادلة مع دعم الذراع تعلق على الجانب الآخر من الغرفة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> يلتصق العينة عن طريق تحريك تتلاعب صعودا بحيث تتم إزالة الجزء العلوي من بعد التفاعل مع الذراع الداعمة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> مع مصراع شعاع مغلقة، نقل العينة إلى موقف في beamline باستخدام مناور. مرة واحدة في العينة في مكان، تأكد من إغلاق cryoshields بشكل صحيح. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بدء ضخ على القدر 1-K وتعميم غاز الهيليوم-3 وذلك لتبريد درجة حرارة العينة إلى قاعدة. وتقاس درجة الحرارة بالقرب من العينة ولن تتغير أثناء التجربة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> فتح مصراع شعاع من beamline. استخدام مسامير ميكرومتر على جهاز لضبط الموقف من العينة بحيث يكون في بؤرة العدسة محلل. هذا التعديل أمر بالغ الأهمية. </li></ol> 4. جمع البيانات <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وبمجرد أن الإعداد هو على استعداد، والتحول إلى وضع الزاوية حل للمحلل وتسجيل الطيف في وضع اجتاحت. وهذا توليد البيانات لقطع الطاقة الزاوية ثنائي الأبعاد. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بناء خريطة سطح فيرمي باستخدام البيانات. حدد الزوايا القطبية التي تتوافق مع مستوى فيرمي المعابر لدراسة سوبrconducting فجوة ruthenate السترونتيوم. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> سجل الأطياف عالية الدقة في زوايا القطبية اختيار فوق وتحت درجة حرارة التحول فائق التوصيل من السترونتيوم ruthenate للتحقيق في سلوك الفجوة فائقة التوصيل. </li></ol>

<ol>
	<li>Borisenko, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One-Sign+Order+Parameter+in+Iron+Based+Superconductor.">One-Sign Order Parameter in Iron Based Superconductor.</a> Symmetry. 4, 251-264 (2012).</li><li>Maeno, Y., Hashimoto, H., Yoshida, K., Nishizaki, S., Fujita, T., Bednorz, J. G., Lichtenberg, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Superconductivity+in+a+layered+perovskite+without+copper.">Superconductivity in a layered perovskite without copper.</a> Nature (London). 372, 532 (1994).</li><li>Singh, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationship+of+Sr2RuO4+to+the+superconducting+layered+cuprates.">Relationship of Sr2RuO4 to the superconducting layered cuprates.</a> Phys. Rev. B. 52, 1358 (1995).</li><li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+and+bulk+electronic+structure+of+the+unconventional+superconductor+Sr2RuO4:+unusual+splitting+of+the+&#946;+band.">Surface and bulk electronic structure of the unconventional superconductor Sr2RuO4: unusual splitting of the &#946; band.</a> New Journal of Physics. 14, 63039 (2012).</li><li>St&#246;we, K., Wagner, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crystal+Structure+and+Calculated+Electronic+Band+Structure+of+ZrTe3.">Crystal Structure and Calculated Electronic Band Structure of ZrTe3.</a> Journal of Solid State Chemistry. 138, 160-168 (1998).</li><li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Momentum+and+temperature+dependence+of+renormalization+effects+in+the+high-temperature+superconductor+YBa2Cu3O7-&#948;.">Momentum and temperature dependence of renormalization effects in the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7-&#948;.</a> Phys. Rev. B. 76, 064519 (2007).</li><li>Zabolotnyy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disentangling+surface+and+bulk+photoemission+using+circularly+polarized+light.">Disentangling surface and bulk photoemission using circularly polarized light.</a> Phys. Rev. B. 76, 024502 (2007).</li><li>Kordyuk, A. A., Borisenko, S. V., Kim, T. K., Nenkov, K. A., Knupfer, M., Fink, J., Golden, M. S., Berger, H., Follath, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Origin+of+the+Peak-Dip-Hump+Line+Shape+in+the+Superconducting-State+(&#960;,0)+Photoemission+Spectra+of+Bi2Sr2CaCu2O8.">Origin of the Peak-Dip-Hump Line Shape in the Superconducting-State (&#960;,0) Photoemission Spectra of Bi2Sr2CaCu2O8.</a> Phys. Rev. Lett. 89, 077003 (2002).</li><li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Momentum+and+Energy+Dependence+of+the+Anomalous+High-Energy+Dispersion+in+the+Electronic+Structure+of+High+Temperature+Superconductors.">Momentum and Energy Dependence of the Anomalous High-Energy Dispersion in the Electronic Structure of High Temperature Superconductors.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 237002 (2007).</li><li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Excitation+energy+map+of+high-energy+dispersion+anomalies+in+cuprates.">Excitation energy map of high-energy dispersion anomalies in cuprates.</a> Phys. Rev. B. 77, 212504 (2008).</li><li>H&#252;fner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Photoelectron Spectroscopy, Principles and Applications. , (1996).</li></ol>

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

كما هو مبين أعلاه، وطريقة تنفيذ فعال جدا في دراسة هيكل منخفض الطاقة الالكترونية من هذه البلورات. حولت التحسينات الأخيرة دور فعال ARPES من مجرد توصيف ورسم الخرائط أداة النطاق الطيفي في العديد من الجسم متطورة. A التجربة الحديثة يتضمن معلومات عن هيكل الالكترونية من المواد...

يستخدم بشكل واسع في الوقت الحاضر ARPES لتحديد التركيب الإلكتروني للمواد الصلبة. عادة، يتم تعريف أشكال مختلفة من هذه الطريقة من قبل مصدر الإشعاع اللازمة لإثارة الإلكترونات. نستخدم السنكروترون الإشعاع لأنه يقدم فرصة فريدة لضبط الاستقطاب وطاقة الفوتون الإثارة في مجموعة واسعة الطاقة ويتميز كثافة عالية، عرض النطاق الترددي صغيرة (HN عدم اليقين في الطاقة)، ​​ويمكن أن تركز على حزمة ضيقة لجمع الالكترونات الضوءيه من بقعة من بضع عشرات من ميكرون. يتم إنشاء السنكروترون الإشعاع في حلقات التخزين الإلكترون مما اضطر الإلكترونات تدور في حلقة مع الطاقة من أجل من 2 جيف ** لتمرير من خلال ترتيبات للمغناطيس قوي الدوري (undulators). المجال المغناطيسي ينحرف الإلكترونات الإلكترونات بسرعة وعندما مثل تغيير اتجاهها تنبعث من الإشعاع. بالضبط ثم توجه هذه الإشعاعات إلى ما يسمى beamline حيث monochromatized كذلكمقضب الحيود من قبل، وركزت على سطح العينة بواسطة المرايا عدة. هناك العديد من هذه المرافق في جميع أنحاء العالم. يوجد لدينا محطة نهاية في واحد من beamlines من الحلبة التخزين بيسي الذي ينتمي إلى برلين هيلمهولتز-ZENTRUM. قلب هذا المرفق ARPES هو محلل الطاقة الإلكترون (الشكل 1). منذ ونحن مهتمون في مجال الطاقة على حد سواء الحركية والزاوية التي تترك الإلكترونات السطح، وأنها مريحة جدا لكشفها في واحدة القياس. مبدأ بسيط جدا يجعل هذا النهج إلى واقع. كما هو الحال في التجربة الأساسية مع عدسة بصرية، والذي يركز موجة الطائرة في نقطة في المستوى البؤري الخلفي أداء بالتالي المكانية فورييه التحول، الإلكترون البصرية عدسة مشاريع الإلكترونات التي تترك السطح في زاوية خاصة لنقطة في المستوى البؤري ( الشكل 1). في مثل هذه الطريقة ونحن الحصول على الزخم، أي المعاملة بالمثل، والفضاء. وdistanم من الاتجاه إلى الأمام في المستوى البؤري يتوافق مع زاوية وبالتالي على زخم الضوئية. الآن يجب أن تكون الإلكترونات تحليل من حيث الطاقة. لهذا الغرض يتم وضع فتحة مدخل محلل نصف كروية تماما في المستوى البؤري للعدسة البصرية الإلكترون. ويتم اختيار الفولتية على نصفين بحيث سيتم توجيه الإلكترونات فقط مع الطاقة الحركية معين (تمرير الطاقة) بالضبط في منتصف نصفين والأرض على خط وسط لكشف ثنائية الأبعاد. وتلك التي هي أسرع ضرب كاشف أقرب إلى نصف الكرة الخارجي، وسيتم نحيد تلك التي تكون أبطأ نحو نصف الكرة الداخلية. في مثل هذه الطريقة يمكن أن نحصل على توزيع كثافة إصدار ضوئي بوصفها وظيفة من الطاقة الحركية وزاوية في وقت واحد. والميزة الرئيسية لنهجنا القائم على الطرق هو استخدام cryomanipulator 3 و. هناك سببين على الأقل لتنفيذ أوور القياسات في درجات الحرارة المنخفضة. وارتفاع درجة حرارة المواد، وأكثر من طخت الولايات الإلكترونية أصبحت في الطاقة والزخم. لتحديد التركيب الإلكتروني مع دقة عالية درجة الحرارة هذه لابد من توسيع تجنبها. أيضا، العديد من الخصائص الفيزيائية تعتمد درجة الحرارة، وبعض الظواهر المحددة في ترتيب في درجات الحرارة المنخفضة ومعرفة التركيب الإلكتروني في الحالة الأرضية للنظام، أي في T = 0، تعتبر ذات أهمية جوهرية. واحدة من أكثر الطرق فعالية لتهدئة العينة وصولا الى أعشار من كلفن هو لتسييل الغاز منذ 3. في العديد من التجارب التوصل إلى شبه كلفن درجة الحرارة ليست مشكلة، لأن الإشعاع الحراري، العدو الرئيسي للدرجات الحرارة المنخفضة جدا، ويمكن محمية على نحو فعال. للأسف، هذا ليس هو الحال في تجارب إصدار ضوئي. نحن بحاجة إلى توفير حرية الوصول للضوء واردة والإلكترونات الصادرة. ويتحقق ذلك من خلال الشقوق المصممة خصيصا في ثلاثة راdiation الدروع، وجود درجات حرارة مختلفة. من أجل التعويض عن الحمل الحراري الناجم عن شعاع الفوتون والإشعاع درجة حرارة الغرفة، وينبغي أن قوة التبريد للناظم البرد تكون عالية جدا. ويتحقق ذلك من خلال سرعة كبيرة جدا ضخ مضختين التي تقلل من ضغط البخار فوق السائل و3، وبالتالي تبريد الاصبع الباردة والعينة. مواصفات تصميم النظام لدينا 3 وجعله في مختلف أنحاء العالم أقوى. ربما يكون المكان الوحيد على وجه الأرض حيث يمكن مشاهدة سطح 1 K الباردة من خلال نافذة غرفة درجة الحرارة، و&quot;أبرد مرئية&quot;. يظهر رسم لإصدار ضوئي التجربة الحديثة في الشكل 1. شعاع السنكروترون (متقطع الخط الأخضر) تضيء سطح 1 K الباردة من العينة والالكترونات الضوءيه يثير. ومن المتوقع أن الإلكترونات إلى فتحة مدخل محلل نصف كروي، مرتبة من حيث زاوية (الأصفر والأرجواني والسماوي آثار تتوافق مع احويتم تحليل زوايا الخيمة NT) ثم من حيث الطاقة الحركية. ويبين الشكل 2 توزيع كثافة نموذجية بوصفها وظيفة من زاوية الخيمة والطاقة الحركية. ومن المتوقع بالفعل مثل هذا التوزيع كثافة والمقارنة مع هيكل الحسابات عصابة من هذه المواد تظهر (اللوحة اليمنى). هذا هو نافذتنا إلى الفضاء متبادلة. عن طريق المسح الضوئي الفولتية على العدسة ونصفي الكرة الأرضية وتدوير العينة حول محور عمودي (زاوية القطبية) يمكننا استكشاف واسعة النطاق طاقة الربط وكذلك مناطق واسعة من الفضاء متبادلة مع التفاصيل لم يسبق لها مثيل. على وجه الخصوص، بالتآمر كثافة على مستوى فيرمي بوصفها وظيفة من كل مكونات الزخم في الطائرة، وتحسب من زوايا الخيمة والقطبية، لدينا إمكانية الوصول المباشر إلى سطح فيرمي (FS). * تحت عنوان &quot;عدم اليقين&quot; نحن نفهم أفضل تقدير المجرب لمدى كمية تجريبية قد يكون من الصحيح &quot;قيمة &quot;. ويمكن للخاتم ** المنخفضة الطاقة لديها طاقة من 0.8 ~ جيف، واحدة ذات الطاقة العالية - ما يصل إلى 8 جيف.

<table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> اسم الكاشف / المواد </td><td> شركة </td><td> كتالوج رقم </td><td> تعليقات </td></tr><tr><td> واحد من بلورات ZrTe 3 و 2 TiSe </td><td></td><td></td><td> الدكتور هيلموت نمت بيرغر، EPFL في لوزان </td></tr><tr><td> واحد من بلورات 2 ريال RuO 4 </td><td></td><td></td><td> نمت من مجموعة الدكتور أنطونيو Vecchione </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> SAMPLES ZrTe 3، TiSe 2، SR-2 RuO 4 </td></tr></tbody></table>

angle-resolved photoemission spectroscopy at ultra-low temperatures

يتم تعريف الخصائص الفيزيائية للمادة من هيكلها الإلكترونية. وتتميز الإلكترونات في المواد الصلبة من الطاقة (ω) والزخم (ك)، واحتمال للعثور عليهم في دولة معينة مع ω معين ويوصف ك بواسطة الدالة الطيفية A. (ك، ω) ويمكن قياس هذه الوظيفة مباشرة في تجربة تعتمد على تأثير الكهروضوئي المعروفة، لتعليل ألبرت أينشتاين الذي حصل على جائزة نوبل في عام 1921. في ضوء التأثير الكهروضوئي أشرق على سطح إخراج الإلكترونات من مادة. وفقا لآينشتاين، والحفاظ على الطاقة يسمح احد لتحديد طاقة الإلكترون داخل العينة، وفرت طاقة الفوتون الضوء والطاقة الحركية للالضوئية الصادرة المعروف و. حفظ الزخم يجعل من الممكن أيضا أن تقدير ك ربطها مؤمنتوم الضوئية من خلال قياس الزاوية التي على اليسار الضوئية السطح. يسمى نسخة حديثة من هذه التقنية زاوية التحليل الطيفي إصدار ضوئي-حل (ARPES) ويستغل كل قوانين الحفظ من أجل تحديد هيكل الالكترونية، أي الطاقة والزخم من الالكترونات داخل الصلبة. من أجل حل حاسم لفهم تفاصيل المشاكل الموضعية للفيزياء المادة المكثفة، وثلاث كميات تحتاج إلى أن يكون الحد الأدنى: * عدم اليقين في طاقة الفوتون، وعدم اليقين في الطاقة الحركية من الالكترونات الضوءيه ودرجة حرارة العينة. في نهجنا ونحن الجمع بين ثلاثة إنجازات الأخيرة في مجال الإشعاع السنكروتروني العلوم السطح، وفيزياء درجات الحرارة المتدنية. نستخدم السنكروترون الإشعاع مع الانضباطي طاقة الفوتون المساهمة في عدم التيقن من أجل من 1 إلكترون فولت، محلل الطاقة الإلكترون الذي يكتشف الطاقات الحركية مع دقة من أجل من 1 إلكترون فولت ومنذ 3 WH ناظم البردالتراث الثقافي غير المادي يسمح لنا للحفاظ على درجة حرارة العينة أقل من 1 K. نناقش النتائج التي تم الحصول عليها على بلورات نموذجية واحدة من SR-2 RuO 4 و بعض المواد الأخرى. يمكن تحديد التركيب الإلكتروني لهذه المواد مع وضوح لم يسبق لها مثيل.

درجات الحرارة منخفضة للغاية من الإعداد لدينا مع ارتفاع القرار من beamline ومحلل يسمح لنا لتسجيل الأطياف لقرار العام عالية جدا. ويتضح ذلك في الشكل 3. الاختبار المعتاد من القرار هو قياس الطاقة عرض حافة فيرمي من المعدن. في هذه الحالة هو فيلم الإنديوم تبخرت طازجة. ال?...

Watch this Scientific Journal Video about Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures at JoVE.com

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

والهدف العام لهذه الطريقة هو تحديد هيكل منخفض الطاقة الالكترونية من المواد الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة جدا باستخدام التحليل الطيفي زاوية-حل مع إصدار ضوئي الإشعاع السنكروتروني.

زاوية التحليل الطيفي إصدار ضوئي في حل درجات الحرارة المنخفضة جدا

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

angle-resolved-photoemission-spectroscopy-at-ultra-low-temperatures

Research

JoVE Journal

Engineering

17.5K Views.  IFW-Dresden. والهدف العام لهذه الطريقة هو تحديد هيكل منخفض الطاقة الالكترونية من المواد الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة جدا باستخدام التحليل الطيفي زاوية-حل مع إصدار ضوئي الإشعاع السنكروتروني.

Video: Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary interiors, design materials with novel properties, understand the mechanical behavior of materials exposed to very high stresses as in explosions or impacts. Synthesis and structural analysis of materials at extreme conditions of pressure and temperature entails remarkable technical challenges. In the laser heated diamond anvil cell (LH-DAC), very high pressure is generated between the tips of two opposing diamond anvils forced against each other; focused infrared laser beams, shined through the diamonds, allow to reach very high temperatures on samples absorbing the laser radiation. When the LH-DAC is installed in a synchrotron beamline that provides extremely brilliant x-ray radiation, the structure of materials under extreme conditions can be probed in situ. LH-DAC samples, although very small, can show highly variable grain size, phase and chemical composition. In order to obtain the high resolution structural analysis and the most comprehensive characterization of a sample, we collect diffraction data in 2D grids and combine powder, single crystal and multigrain diffraction techniques. Representative results obtained in the synthesis of a new iron oxide, Fe4O5 1 will be shown.

The laser heated diamond anvil cell combined with synchrotron micro-diffraction techniques allows researchers to explore the nature and properties of new phases of matter at extreme pressure and temperature (PT) conditions. Heterogeneous samples can be characterized in situ under high pressure by 2D mapping and combined powder, single-crystal and multigrain diffraction approaches.

التوليف وMicrodiffraction في الضغوط الشديدة ودرجات الحرارة

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the electronic quantum structure of small systems - including individual atomic dopants in semiconductors. Here we present a capacitance-based method, known as Subsurface Charge Accumulation (SCA) imaging, which is capable of resolving single-electron charging while achieving sufficient spatial resolution to image individual atomic dopants. The use of a capacitance technique enables observation of subsurface features, such as dopants buried many nanometers beneath the surface of a semiconductor material1,2,3. In principle, this technique can be applied to any system to resolve electron motion below an insulating surface.
As in other electric-field-sensitive scanned-probe techniques4, the lateral spatial resolution of the measurement depends in part on the radius of curvature of the probe tip. Using tips with a small radius of curvature can enable spatial resolution of a few tens of nanometers. This fine spatial resolution allows investigations of small numbers (down to one) of subsurface dopants1,2. The charge resolution depends greatly on the sensitivity of the charge detection circuitry; using high electron mobility transistors (HEMT) in such circuits at cryogenic temperatures enables a sensitivity of approximately 0.01 electrons/Hz&frac12; at 0.3 K 5.

Scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy facilitates the study of single-electron motion in localized subsurface regions. A sensitive charge-detection circuit is incorporated into a cryogenic scanning probe microscope to investigate small systems of dopant atoms beneath the surface of semiconductor samples.

المسح مسبار واحدة الإلكترون الطيفي السعة

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states are indeed the resources for implementing various protocols, ranging from enhanced metrology to quantum communication and computing. A variety of devices can be used to generate non-classical states, such as single emitters, light-matter interfaces or non-linear systems3. We focus here on the use of a continuous-wave optical parametric oscillator3,4. This system is based on a non-linear &#967;2 crystal inserted inside an optical cavity and it is now well-known as a very efficient source of non-classical light, such as single-mode or two-mode squeezed vacuum depending on the crystal phase matching. 
Squeezed vacuum is a Gaussian state as its quadrature distributions follow a Gaussian statistics. However, it has been shown that number of protocols require non-Gaussian states5. Generating directly such states is a difficult task and would require strong &#967;3 non-linearities. Another procedure, probabilistic but heralded, consists in using a measurement-induced non-linearity via a conditional preparation technique operated on Gaussian states. Here, we detail this generation protocol for two non-Gaussian states, the single-photon state and a superposition of coherent states, using two differently phase-matched parametric oscillators as primary resources. This technique enables achievement of a high fidelity with the targeted state and generation of the state in a well-controlled spatiotemporal mode.

We describe the reliable generation of non-Gaussian states of traveling optical fields, including single-photon states and coherent state superpositions, using a conditional preparation method operated on the non-classical light emitted by optical parametric oscillators. Type-I and type-II phase-matched oscillators are considered and common procedures, such as the required frequency filtering or the high-efficiency quantum state characterization by homodyning, are detailed.

الدولة الكم هندسة الضوء مع استمرار موجة حدودي البصرية المذبذبات

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. At the same time the AFM tip is passivated to prevent unspecific interactions between the tip and the substrate, which is a prerequisite to study single molecules attached to the AFM tip. Analyses to determine the adhesion force, the adhesion length, and the free energy of these molecules on solid surfaces and bio-interfaces are shortly presented and external references for further reading are provided. Example molecules are the poly(amino acid) polytyrosine, the graft polymer PI-g-PS and the phospholipid POPE (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine). These molecules are desorbed from different surfaces like CH3-SAMs, hydrogen terminated diamond and supported lipid bilayers under various solvent conditions. Finally, the advantages of force spectroscopic single molecule experiments are discussed including means to decide if truly a single molecule has been studied in the experiment.

A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

التحقيق احدة جزيء التصاق بواسطة القوة الذرية الطيفي

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Resonance Raman Spectroscopy of Extreme Nanowires and Other 1D Systems

This paper briefly describes how nanowires with diameters corresponding to 1 to 5 atoms can be produced by melting a range of inorganic solids in the presence of carbon nanotubes. These nanowires are extreme in the sense that they are the limit of miniaturization of nanowires and their behavior is not always a simple extrapolation of the behavior of larger nanowires as their diameter decreases. The paper then describes the methods required to obtain Raman spectra from extreme nanowires and the fact that due to the van Hove singularities that 1D systems exhibit in their optical density of states, that determining the correct choice of photon excitation energy is critical. It describes the techniques required to determine the photon energy dependence of the resonances observed in Raman spectroscopy of 1D systems and in particular how to obtain measurements of Raman cross-sections with better than 8% noise and measure the variation in the resonance as a function of sample temperature. The paper describes the importance of ensuring that the Raman scattering is linearly proportional to the intensity of the laser excitation intensity. It also describes how to use the polarization dependence of the Raman scattering to separate Raman scattering of the encapsulated 1D systems from those of other extraneous components in any sample.

The paper describes a method for producing extreme nanowires by melt infiltration into carbon nanotubes and how 1D systems may be characterized and investigated using Resonance Raman Spectroscopy to determine vibrational and optical excitation energies.

الرنين رامان الطيفي من الأسلاك المتناهية الصغر المتطرفة ونظم 1D أخرى

This paper briefly describes how nanowires with diameters corresponding to 1 to 5 atoms can be produced by melting a range of inorganic solids in the ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we demonstrate an optical spectroscopy method that is capable of resolving spectral features beyond that of the spin fine structure and homogeneous linewidth of single quantum dots (QDs) using a standard, easy-to-use spectrometer setup. This method incorporates both laser and photoluminescence spectroscopy, combining the advantage of laser line-width limited resolution with multi-channel photoluminescence detection. Such a scheme allows for considerable improvement of resolution over that of a common single-stage spectrometer. The method uses phonons to assist in the measurement of the photoluminescence of a single quantum dot after resonant excitation of its ground state transition. The phonon&#39;s energy difference allows one to separate and filter out the laser light exciting the quantum dot. An advantageous feature of this method is its straight forward integration into standard spectroscopy setups, which are accessible to most researchers.

The manuscript describes a method of phonon-assisted quasi-resonant fluorescence spectroscopy that incorporates both laser-limited resolution and photoluminescence (PL) spectroscopy. This method utilizes optical phonons to provide linewidth-limited resolution spectra of atom-like semiconductor structures in the energy domain. The method is also easily realized with a single spectrometer optical spectroscopy setup.

ارتفاع بمساعدة فونون الدقة شبه الرنين الإسفار الطيفي

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted researchers&#39; attention in many fields. Most of the studies focused on macroscopic LCE structures (films, fibers) and their miniaturization is still in its infancy. Recently developed lithography techniques, e.g., mask exposure and replica molding, only allow for creating 2D structures on LCE thin films. Direct laser writing (DLW) opens access to truly 3D fabrication in the microscopic scale. However, controlling the actuation topology and dynamics at the same length scale remains a challenge.
In this paper we report on a method to control the liquid crystal (LC) molecular alignment in the LCE microstructures of arbitrary three-dimensional shape. This was made possible by a combination of direct laser writing for both the LCE structures as well as for micrograting patterns inducing local LC alignment. Several types of grating patterns were used to introduce different LC alignments, which can be subsequently patterned into the LCE structures. This protocol allows one to obtain LCE microstructures with engineered alignments able to perform multiple opto-mechanical actuation, thus being capable of multiple functionalities. Applications can be foreseen in the fields of tunable photonics, micro-robotics, lab-on-chip technology and others.

Free-form Light Actuators &amp;#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Here, we fabricate 3D polymeric micro/nano structures in which both the shape and the molecular alignment can be engineered with nanometer scale accuracy by the use of direct laser writing. Light induced deformation of several types of liquid crystalline elastomer microstructures can be controlled in the microscopic scale.

المحركات الخفيفة ذات شكل حر - تصنيع ومراقبة يشتغل في مقياس المجهري

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces

Here, we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. Optical property evaluation of thin films and the surfaces of bulk materials is an important step in understanding new optical material systems and their applications. The method presented can estimate thickness, refractive index, and use absorptive properties of materials for detection. This metrology system uses evanescent field-based photoacoustics (EFPA), a field of research based upon the interaction of an evanescent field with the photoacoustic effect. This interaction and its resulting family of techniques allow the technique to probe optical properties within a few hundred nanometers of the sample surface. This optical near field allows for the highly accurate estimation of material properties on the same scale as the field itself such as refractive index and film thickness. With the use of EFPA and its sub techniques such as total internal reflection photoacoustic spectroscopy (TIRPAS) and optical tunneling photoacoustic spectroscopy (OTPAS), it is possible to evaluate a material at the nanoscale in a consolidated instrument without the need for many instruments and experiments that may be cost prohibitive.

Here we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. This technique evanescent field-based photoacoustics can be used to create a photoacoustic metrology system to estimate materials&#39; thicknesses, bulk and thin film refractive indices, and explore their optical properties.

زائل الميدان Photoacoustics استنادا: تقييم العقارات للبصريات على السطوح

Here, we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. ...

A Simple Dewar/Cryostat for Thermally Equilibrating Samples at Known Temperatures for Accurate Cryogenic Luminescence Measurements

The design and operation of a simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus based upon a small fused silica optical Dewar, a thermocouple assembly, and a CCD spectrograph are described. The experiments for which this Dewar/cryostat is designed require fast sample loading, fast sample freezing, fast alignment of the sample, accurate and stable sample temperatures, and small size and portability of the Dewar/cryostat cryogenic unit. When coupled with the fast data acquisition rates of the CCD spectrograph, this Dewar/cryostat is capable of supporting cryogenic luminescence spectroscopic measurements on luminescent samples at a series of known, stable temperatures in the 77-300 K range. A temperature-dependent study of the oxygen quenching of luminescence in a rhodium(III) transition metal complex is presented as an example of the type of investigation possible with this Dewar/cryostat. In the context of this apparatus, a stable temperature for cryogenic spectroscopy means a luminescent sample that is thermally equilibrated with either liquid nitrogen or gaseous nitrogen at a known measureable temperature that does not vary (&#916;T &#60; 0.1 K) during the short time scale (~1-10 sec) of the spectroscopic measurement by the CCD. The Dewar/cryostat works by taking advantage of the positive thermal gradient dT/dh that develops above liquid nitrogen level in the Dewar where h is the height of the sample above the liquid nitrogen level. The slow evaporation of the liquid nitrogen results in a slow increase in h over several hours and a consequent slow increase in the sample temperature T over this time period. A quickly acquired luminescence spectrum effectively catches the sample at a constant, thermally equilibrated temperature.

A simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus comprised of a small fused silica optical Dewar, a thermocouple, and a charge-coupled device (CCD) spectrograph are described. The experiments for which this Dewar/cryostat is designed require fast sample loading, freezing, and alignment, accurate and stable sample temperatures, and small size/portability.

وبسيط ديوار / ناظم البرد لعينات حراريا توازنه في درجات الحرارة المعروفة للدقيقة القياسات التلألؤ المبردة

The design and operation of a simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus based upon a small fused silica optical Dewar, a thermocouple assembly, and ...

Measuring the Densities of Aqueous Glasses at Cryogenic Temperatures

We demonstrate a method for determining the vitreous phase cryogenic temperature densities of aqueous mixtures, and other samples that require rapid cooling, to prepare the desired cryogenic temperature phase. Microliter to picoliter size drops are cooled by projection into a liquid nitrogen-argon (N2-Ar) mixture. The cryogenic temperature phase of the drop is evaluated using a visual assay that correlates with X-ray diffraction measurements. The density of the liquid N2-Ar mixture is adjusted by adding N2 or Ar until the drop becomes neutrally buoyant. The density of this mixture and thus of the drop is determined using a test mass and Archimedes principle. With appropriate care in drop preparation, management of gas above the liquid cryogen mixture to minimize icing, and regular mixing of the cryogenic mixture to prevent density stratification and phase separation, densities accurate to &#60;0.5% of drops as small as 50 pL can readily be determined. Measurements on aqueous cryoprotectant mixtures provide insight into cryoprotectant action, and provide quantitative data to facilitate thermal contraction matching in biological cryopreservation.

A protocol for determining the vitreous phase densities of micro- to pico-liter size drops of aqueous mixtures at cryogenic temperatures is described.

قياس كثافة من النظارات المائية في درجات الحرارة المبردة

We demonstrate a method for determining the vitreous phase cryogenic temperature densities of aqueous mixtures, and other samples that require rapid ...