Wir danken für die Hilfe von Rolf Follath, Roland Hübel, K. Möhler, Dmytro Inosov, Jörg Fink, Andreas Koitzsch, Bernd Büchner, Andrei Varykhalov, Emile Rienks, Oliver Rader, Setti Thirupathaiah, Denis Vyalikh, Sergey Molodtsov, Clemens Laubschat, Ramona Weber, Hermann Dürr, Wolfgang Eberhardt, Christian Jung, Thomas Blume, Gerd Reichardt, David Batchelor, Kai Godehusen, Martin Knupfer, Stefan Leßny, Dirk Lindackers, Stefan Leger, Ralf Voigtländer, Ronny Schönfelder, der die &quot;1-cubed&quot; Projekt konzipiert , konstruiert, gebaut und in Betrieb genommen Beamline und End-Station sowie vorgesehenen organisatorischen und Anwender-Support. Das Projekt &quot;1-gewürfelt ARPES&quot; ​​wurde durch das BMBF &quot;Höchste Auflösung ARPES&quot; ​​finanziert als auch direkt durch BESSYII und IFW-Dresden. Diese besondere Arbeit des DFG-Schwerpunktprogramms SPP1458 unterstützt wurde, gewährt ZA 654/1-1, BO1912/3-1 und BO1912/2-2. EG und BPD thank der Fakultät für Informatik an der University of Johannesburg für Reisen Finanzierung. AV, RF und MC danken für die Unterstützung aus dem EU -FP7/2007-2013 unter Finanzhilfevereinbarung N. 264098 - MAMA.

Ein. Montage der Probe <ol><li> Dieses Experiment verwendet Synchrotronstrahlung vom BESSY des Helmholtz-Zentrum Berlin. Die Photonen reisen Beamline unsere Endstation, wo eine Probe montiert ist. </li><li> Beginnen mit einem Einkristall aus dem zu untersuchenden Material, hier Strontiumruthenat. Verwenden Silber basierenden Epoxy zu kleben die Probe in den Probenhalter. Die auf Silber basierende Epoxy sorgt für eine gute thermische und elektrische Kontakt. </li><li> Kleben Sie einen Aluminium-top-post an die Oberfläche des Einkristall-. Die Top-Nachricht wird zu spalten Probe im Ultrahochvakuum verwendet werden, um eine atomar saubere Oberfläche freizulegen. </li><li> Montieren des Probenhalters in der Ladeschleuse. </li></ol> 2. Erreichen Ultra-Hochvakuum und thermische Isolation <ol><li> Beginnen Evakuieren der Ladeschleusenkammer zu einer Kontamination der Ultra-Hochvakuumkammer minimieren. </li><li> Überwachen Sie den Druck. Sobald ein Druck von etwa 10 -8 mbar wurdeerreicht, übertragen die Montage der Vorbereitung Kammer, und anschließend auf die wichtigsten chamber.The kalte Finger und Probenhalter wurden speziell entwickelt, um die bestmögliche thermischen Kontakt mit dem Helium Topf garantieren. </li><li> Diese Demoversionen zeigen, wie dies durch die Verwendung Kegelflächen um die Kontaktfläche zu erhöhen erreicht. Die Kegelflächen gegeneinander gedrückt und der Probenhalter und Kühlfinger sind fest an seinem Platz unter Verwendung eines Titan Mutter und Schraube fixiert. </li></ol> 3. Positionieren und Abkühlen der Probe <ol><li> Der nächste Schritt ist die Orientierung der Probe innerhalb des kalten Finger entlang der Azimuth mit dem Transferarm. Fixieren der Position der Probe, indem die Mutter, während eine Gegenkraft mit der Tragarm an der gegenüberliegenden Seite der Kammer. </li><li> Spaltung der Probe durch Bewegen des Manipulators nach oben, so daß das oberste Beitrag durch Wechselwirkung mit dem Tragarm entfernt wird. </li><li> Mit der Strahl Verschluss geschlossen, bewegen die Probe in Position in der Strahllinie Verwendung des Manipulators. Sobald die Probe an Ort und Stelle sicher, dass die cryoshields richtig geschlossen sind. </li><li> Pumpen auf dem 1-K Topf zirkulieren und die Helium-3 Gas, um die Probe auf der Basis abkühlen. Die Temperatur wird nahe an der Probe gemessen und werden nicht während des Experiments zu ändern. </li><li> Öffnen Sie die Strahlshutter der Beamline. Mithilfe der Mikrometerschrauben an der Vorrichtung, um die Position der Probe einzustellen, damit sie an dem Fokus des Analysators Linse ist. Diese Einstellung ist entscheidend. </li></ol> 4. Sammeln von Daten <ol><li> Sobald die Einrichtung ist bereit, um den Winkel-resolved Modus des Analysators umzuschalten und das Spektrum in gepfeilten Modus. Dies erzeugt Daten für zweidimensionale Energie-Winkel Plots. </li><li> Konstruieren Sie eine Fermi-Fläche Karte mithilfe der Daten. Wählen Polarwinkel, die Fermi Bahnübergänge für das Studium der supe entsprechenrconducting Lücke Strontiumruthenat. </li><li> Nimm hochaufgelöste Spektren bei den gewählten Polarwinkel oberhalb und unterhalb der Sprungtemperatur des Strontiumruthenat, um das Verhalten des supraleitenden Spalt untersuchen. </li></ol>

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	<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>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Wie oben gezeigt wird, ist das Verfahren sehr effizient implementiert bei der Untersuchung der Niedrigenergie-elektronische Struktur von Einkristallen. Aktuelle instrumental Verbesserungen ARPES von einem bloßen Charakterisierung und band-Mapping-Tool verwandelte sich in ein ausgeklügeltes Vielteilchen-Spektroskopie. Ein modernes Experiment liefert Informationen über die elektronische Struktur eines Festkörpers oder einer Nano-Objekt mit einem neuen Maß an Präzision. Der Zugang zum Fermifläche im Fall eines Metal...

Heutzutage ARPES wird häufig verwendet, um die elektronische Struktur von Festkörpern zu bestimmen. Üblicherweise werden verschiedene Varianten dieser Methode durch die Quelle der Strahlung benötigt wird, um die Elektronen anzuregen definiert. Wir verwenden Synchrotronstrahlung, da es eine einmalige Gelegenheit, die Polarisation und die Anregung Photonenenergie in einem breiten Energiebereich abzustimmen bietet und sich durch eine hohe Intensität, geringe Bandbreite (Unsicherheit in der Energie hn) gekennzeichnet, und es kann zu einem schmalen Strahl fokussiert werden, um zu sammeln Fotoelektronen von einer Stelle von einigen zehn Mikrometern. Synchrotron-Strahlung wird in Elektronenspeicherring Ringe zwingen Elektronen, die in der Ring mit einer Energie in der Größenordnung von 2 GeV ** durch periodische Anordnungen von starken Magneten (Undulatoren) übergeben generiert. Das Magnetfeld lenkt die Elektronen und wenn eine solche schnelle Elektronen ihre Richtung ändern sie strahlen. Genau diese Strahlung wird dann in die so genannte Beamline wo es weiter monochromatisiert gerichtet istdurch ein Beugungsgitter und sich auf der Oberfläche der Probe durch mehrere Spiegel. Es gibt viele solcher Einrichtungen auf der ganzen Welt. Unsere End-Station an einem der Strahlrohre des BESSY, die dem Helmholtz-Zentrum Berlin gehört entfernt. Das Kernstück dieses ARPES Anlage ist die Elektronen-Energie-Analysator (Abbildung 1). Da wir sowohl die kinetische Energie und Winkel, in denen die Elektronen verlassen die Oberfläche interessiert sind, ist es sehr bequem, um sie in einer Messung zu erkennen. Ein sehr einfaches Prinzip ermöglicht dieser Ansatz eine Realität. Als in basischem Experiment mit einer optischen Linse, die eine ebene Welle konzentriert in den Punkt in der hinteren Brennebene somit Durchführen räumlichen Fourier-Transformation, die elektronenoptische Linse projiziert Elektronen, die die Oberfläche bei bestimmten Winkel zu einem Punkt in der Fokusebene übrig ( Abbildung 1). Auf eine solche Weise erhalten wir Zugang zu dem Kehrwert, dh Impulse, Raum. Die Distanzence von der Vorwärtsrichtung in der Fokalebene entspricht dem Winkel und damit der Impuls des Photoelektronen. Nun werden die Elektronen in energetisch analysiert werden. Hierzu ist der Eintrittsspalt des Halbkugelanalysator genau in der Brennebene der elektronenoptischen Linse platziert. Spannungen auf beiden Halbkugeln sind so gewählt, daß nur die Elektronen mit bestimmten kinetischen Energie (pass energy) genau in der Mitte der beiden Halbkugeln und landen auf der Mittellinie der zweidimensionalen Detektor geführt werden. Solche, die schneller sind den Detektor näher an der äußeren Halbkugel getroffen, diejenigen, die langsamer sind, wird in Richtung der inneren Halbkugel abgelenkt werden. Auf eine solche Weise können wir die Photoemission Intensitätsverteilung als Funktion des Winkels und der kinetischen Energie gleichzeitig erhalten. Der Hauptvorteil des Ansatzes gegenüber bestehenden Verfahren ist die Verwendung der He 3 cryomanipulator. Es gibt mindestens zwei Gründe tragen out die Messungen bei niedrigen Temperaturen. Je höher die Temperatur des Materials, desto mehr verschmiert der elektronischen Zustände in Energie und Impuls werden. Um die elektronische Struktur mit hoher Präzision dieser Temperatur Verbreiterung muss vermieden werden bestimmen. Auch sind viele physikalische Eigenschaften temperaturabhängig, einige Ordnungsphänomene gesetzt in bei niedrigen Temperaturen und dem Wissen der elektronischen Struktur im Grundzustand des Systems, dh bei T = 0, ist von grundlegender Bedeutung. Einer der effektivsten Wege zur Abkühlung der Probe auf Zehntel Kelvin ist zu verflüssigen He 3 Gas. In vielen Experimenten erreichte sub-Kelvin Temperaturen ist nicht ein Problem, da Wärmestrahlung, der Hauptfeind der ultra-niedrigen Temperaturen effektiv abgeschirmt werden. Leider ist dies nicht der Fall in Photoemission Experimenten. Wir brauchen den freien Zugang für die einfallende Licht-und ausgehenden Elektronen liefern. Dies wird durch speziell Schlitze in drei ra realisiertstrahlung Schilde, mit unterschiedlichen Temperaturen. Um für die Wärmebelastung von der Photonenstrahl und Raumtemperatur Strahlung zu kompensieren, sollte die Kühlleistung des Kryostaten sehr hoch sein. Dies wird durch die sehr große Saugvermögen von zwei Pumpen, die den Dampfdruck über dem flüssigen He 3 zu verringern und so Kühlen der Kühlfinger und Probe erreicht. Die Design-Vorgaben unserer He 3-System machen es zum stärksten weltweit. Es ist vielleicht der einzige Ort auf der Welt, wo man einen 1 K kalten Oberfläche durch eine Raumtemperatur Fenster sehen können, die &quot;kältesten sichtbar&quot;. Die Skizze der modernen Photoemission Experiments ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Synchrotron-Strahl (gestrichelte grüne Linie) beleuchtet die 1 K kalten Oberfläche der Probe und regt Photoelektronen. Elektronen werden auf dem Eintrittsspalt des halbkugelförmigen Analysator, in der Neigung (sortiert projiziert Gelb, Magenta und Cyan-Spuren entsprechen DIFFEREnt Neigungswinkel) und dann werden in Form von kinetischer Energie analysiert. Abbildung 2 zeigt den typischen Intensitätsverteilung als Funktion der Neigungswinkel und kinetische Energie. Eine solche Intensitätsverteilung tatsächlich erwartet, da der Vergleich mit Bandstrukturrechnungen dieses Materials zeigt (rechte Tafel). Dies ist unser Fenster in reziproken Raum. Durch das Scannen Spannungen auf der Linse und Hemisphären und Drehen der Probe um die vertikale Achse (Polarwinkel) können wir die breite Bindungsenergie Bereich sowie weite Bereiche des reziproken Raum mit beispielloser Detail zu erforschen. Insbesondere Plotten Intensität im Fermi-Niveau als Funktion der beiden Komponenten des in der Ebene liegenden Impuls von Neigung und Polarwinkel berechnet haben wir direkten Zugriff auf das Fermi-Fläche (FS). * Unter &quot;Unsicherheit&quot; Wir verstehen die Versuchsleiter die beste Schätzung, wie weit ein experimentelles Menge könnte aus dem &quot;true seinWert. &quot; ** Der Niedrig-Energie-Ring kann eine Energie von ~ 0,8 GeV, die hochenergetische ein - bis zu 8 GeV.

<table border="1"><tbody><tr><td> Name des Reagenz / Material </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td> Einkristalle von ZrTe 3 und TiSe 2 </td><td></td><td></td><td> gewachsen von Dr. Helmut Berger, EPFL, Lausanne </td></tr><tr><td> Einkristalle des Sr 2 RuO 4 </td><td></td><td></td><td> gewachsen durch die Gruppe von Dr. Antonio 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

Die physikalischen Eigenschaften eines Materials durch seine elektronische Struktur definiert. Elektronen in Feststoffe werden durch Energie (ω) und Impuls (k) und der Wahrscheinlichkeit, um sie in einem bestimmten Zustand zu finden mit gegebenen ω und k gekennzeichnet ist durch die spektrale beschriebene Funktion A (k, ω). Diese Funktion kann direkt in einem Experiment auf dem bekannten photoelektrischen Effekt gemessen werden, für die Erklärung von dem Albert Einstein erhielt den Nobelpreis zurück in 1921. In den photoelektrischen Effekt das Licht leuchtete auf einer Fläche stößt Elektronen aus dem Material. Nach Einstein ermöglicht Energieeinsparung ein, um die Energie eines Elektronenstrahls innerhalb der Probe zu bestimmen, sofern die Energie des Lichts Photon und kinetische Energie des ausgehenden Photoelektronen sind bekannt. Impulserhaltung macht es auch möglich, k es im Zusammenhang mit der momen abzuschätzentum der Photoelektronen durch Messen der Winkel, in dem die Photoelektronen verließ die Oberfläche. Die moderne Version dieser Technik genannt wird Angle-Photoemissionsspektroskopie (ARPES) und nutzt beide Erhaltungssätze, um die elektronische Struktur zu bestimmen, dh Energie und Impuls der Elektronen innerhalb des Festkörpers. Um die Details von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der aktuellen Probleme der Physik der kondensierten Materie zu lösen, müssen drei Größen minimiert werden: Unsicherheit * in Photonenenergie, Unsicherheit in kinetische Energie der Photoelektronen und Temperatur der Probe. In unserem Ansatz vereinen wir drei jüngsten Erfolge auf dem Gebiet der Synchrotronstrahlung, Oberflächenphysik und Kryotechnik. Wir verwenden Synchrotronstrahlung mit abstimmbaren Photonen-Energie beiträgt eine Unsicherheit in der Größenordnung von 1 MeV, einer Elektronenenergie-Analysator, der die kinetischen Energien detektiert, mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1 MeV und eine He 3 Kryostaten whIch können wir die Temperatur der Probe unter 1 K. halten Wir diskutieren die exemplarische Ergebnisse an Einkristallen von Sr 2 RuO 4 und einigen anderen Materialien erhalten. Die elektronische Struktur dieses Materials kann mit einer beispiellosen Klarheit bestimmt werden.

Die ultra-niedrigen Temperaturen von unserem Setup zusammen mit der hohen Auflösung der Beamline und Analysator ermöglichen es uns, Spektren mit sehr hohen Gesamtwirkungsgrad Auflösung aufzeichnen. Dies ist in Abbildung 3 dargestellt. Die üblichen Test der Energieauflösung ist, um die Breite des Fermi Kante eines Metalls messen. In diesem Fall ist es eine frisch eingedampft Indium Film. Die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) der Gauß, die, wenn mit dem Schritt-Funktion gefaltet genau beschreib...

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Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

Das übergeordnete Ziel dieser Methode ist es, die Niedrig-Energie-elektronischen Struktur von Festkörpern bei extrem niedrigen Temperaturen mit Angle-Photoemissionsspektroskopie mit Synchrotronstrahlung zu bestimmen.

Angle-Photoemissionsspektroskopie Bei extrem niedrigen Temperaturen

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

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Research

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Engineering

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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.

Synthese und Mikrodiffraktion bei extremen Drücken und Temperaturen

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

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

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.

Staatliche Ingenieur Quantum of Light mit Dauerwellen-Optische parametrische Oszillatoren

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.

Untersuchung von Einzelmolekül Haftung durch Rasterkraftspektroskopie

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.

Resonanz-Raman-Spektroskopie von Extreme Nanodrähte und andere 1D-Systeme

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.

Hohe Auflösung Phonon-unterstützte Quasi- Resonanzfluoreszenzspektroskopie

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.

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.

Freiform-Lichtaktoren - Herstellung und Steuerung der Betätigung in mikroskopischer Skala

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.

Abklingende Feld Basierend Photoakustik: Optische Objektbewertung an Oberflächen

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.

Eine einfache Dewar / Kryostat für Thermisch Äquilibrieren Proben, die bei bekannten Temperaturen für eine genaue Cryogenic Lumineszenzmessungen

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.

Messung der Dichte von wässrigen Gläsern bei kryogenen Temperaturen

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