Nous tenons à remercier l&#39;aide de 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, Lindackers Dirk, Stefan Léger, Ralf Voigtländer, Ronny Schönfelder, qui a conçu le &quot;1-cube» projet , conçus, construits et mis en service la ligne de lumière et de fin ainsi que la station a fourni un soutien organisationnel et utilisateur. Le projet «1-cubes ARPES&quot; ​​a été financé par le BMBF subvention &quot;ARPES résolution la plus élevée», ainsi que directement par BESSYII ainsi que IFW-Dresden. Ce travail particulier a été pris en charge par le programme prioritaire DFG SPP1458, accorde ZA 654/1-1, BO1912/3-1 et BO1912/2-2. CE et BPD eank la Faculté des sciences de l&#39;Université de Johannesburg pour le financement des déplacements. AV, RF et MC reconnaître le soutien de l&#39;UE dans le cadre -FP7/2007-2013 convention de subvention N. 264098 - MAMA.

1. Montage de l&#39;échantillon <ol><li> Cette expérience utilise le rayonnement synchrotron produit par l&#39;anneau de stockage BESSY du Helmholtz-Zentrum Berlin. Les photons voyager une ligne de lumière à notre station terminale où un échantillon est monté. </li><li> Commencer avec un monocristal du matériau à étudier, ici ruthénate de strontium. Utiliser époxy à base d&#39;argent pour de la colle à l&#39;échantillon du porte-échantillon. L&#39;époxyde à base d&#39;argent assure un bon contact thermique et électrique. </li><li> Une colle aluminium haut-après à la surface de la monocristallin. Le poste de premier sera utilisé pour cliver l&#39;échantillon en ultra-vide pour exposer une surface atomiquement propre. </li><li> Monter le porte-échantillon dans le sas de chargement. </li></ol> 2. La réalisation de l&#39;ultra-vide et l&#39;isolation thermique <ol><li> Commencer l&#39;évacuation du sas de chargement afin de minimiser la contamination de la chambre à vide très poussé. </li><li> Surveiller la pression. Une fois qu&#39;une pression de l&#39;ordre de 10 -8 mbar a étéatteint, transférer l&#39;assemblage de la chambre de préparation, et par la suite au doigt froid chamber.The principal et le porte-échantillon ont été spécialement conçus pour assurer le meilleur contact thermique possible avec le pot d&#39;hélium. </li><li> Ces versions de démonstration montrent comment cela est réalisé à l&#39;aide de surfaces coniques d&#39;augmenter la surface de contact. Les surfaces coniques sont pressées l&#39;une contre l&#39;autre et le porte-échantillon et le doigt froid sont solidement fixés en place au moyen d&#39;un écrou et un boulon de titane. </li></ol> 3. Positionnement et de refroidissement de l&#39;échantillon <ol><li> L&#39;étape suivante consiste à orienter l&#39;échantillon à l&#39;intérieur du doigt froid le long de l&#39;azimut en utilisant le bras de transfert. Fixer la position de l&#39;échantillon par serrage de l&#39;écrou, tout en appliquant une force antagoniste avec le bras de support fixé sur le côté opposé de la chambre. </li><li> Cliver l&#39;échantillon en déplaçant le manipulateur vers le haut de sorte que le haut-poste est éliminé par l&#39;action du bras de support. </li><li> Avec l&#39;obturateur de faisceau est fermée, déplacer l&#39;échantillon dans la position de la ligne de faisceau à l&#39;aide du manipulateur. Une fois que l&#39;échantillon est en place, assurez-vous que les cryoshields sont bien fermées. </li><li> Commencer à injecter sur le pot 1-K et faire circuler le gaz d&#39;hélium-3 de manière à refroidir l&#39;échantillon à la température de base. La température est mesurée à proximité de l&#39;échantillon et ne changera pas pendant l&#39;expérience. </li><li> Ouvrez l&#39;obturateur de faisceau de la ligne de lumière. Utiliser les vis micrométriques sur l&#39;appareil pour ajuster la position de l&#39;échantillon afin qu&#39;il soit au foyer de la lentille de l&#39;analyseur. Cet ajustement est cruciale. </li></ol> 4. Collecte des données <ol><li> Une fois que l&#39;installation est terminée, passer au mode de résolution angulaire de l&#39;analyseur et enregistrer le spectre en mode balayage. Cela va générer des données pour les deux dimensions de l&#39;énergie-angle parcelles. </li><li> Construire une carte de la surface de Fermi en utilisant les données. Sélectionnez angles polaires correspondant aux passages à niveau de Fermi pour l&#39;étude de la supérioritérconducting écart de ruthénate de strontium. </li><li> Enregistrement haute résolution des spectres dans les angles polaires choisis ci-dessus et en dessous de la température de transition supraconductrice de strontium ruthénate pour étudier le comportement du gap supraconducteur. </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>

Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

Comme il est indiqué ci-dessus, la méthode mise en œuvre est très efficace dans l&#39;étude de la structure électronique de faible énergie de monocristaux. Les récents progrès instrumentaux ont tourné ARPES d&#39;une simple caractérisation et la bande outil de cartographie dans un complexe à plusieurs corps spectroscopie. Une expérience moderne fournit des informations sur la structure électronique d&#39;un solide ou un nano-objet avec un niveau de précision. L&#39;accès à la surface de Fermi dans le ca...

Aujourd&#39;hui ARPES est largement utilisée pour déterminer la structure électronique des solides. Généralement, diverses variantes de ce procédé sont définis par la source de rayonnement nécessaire pour exciter les électrons. Nous utilisons le rayonnement synchrotron, car il offre une occasion unique de régler la polarisation et l&#39;énergie des photons d&#39;excitation dans une large gamme d&#39;énergie et se caractérise par l&#39;intensité élevée, faible bande passante (incertitude de l&#39;énergie hn) et il peut être porté à un faisceau étroit de recueillir photoélectrons à partir d&#39;une tache de quelques dizaines de microns. Le rayonnement synchrotron est généré dans les anneaux de stockage électron forçant les électrons circulent dans le ring avec une énergie de l&#39;ordre de 2 GeV ** pour passer à travers des arrangements périodiques de puissants aimants (onduleurs). Le champ magnétique dévie les électrons et lorsque ces électrons rapides changent leur direction, ils émettent un rayonnement. Exactement ce rayonnement est ensuite dirigé dans la ligne de lumière dite où il est encore monochromatiquepar un réseau de diffraction et focalisé sur la surface de l&#39;échantillon par plusieurs miroirs. Il ya beaucoup de ces installations à travers le monde. Notre station d&#39;extrémité est située à une des lignes de lumière de l&#39;anneau de stockage BESSY qui appartient à la Helmholtz-Zentrum Berlin. Le cœur de cette installation ARPES est l&#39;analyseur d&#39;énergie d&#39;électrons (figure 1). Comme nous nous intéressons à la fois l&#39;énergie cinétique et l&#39;angle à laquelle les électrons quittent la surface, il est très pratique pour les détecter sur une mesure. Un principe très simple qui rend cette approche une réalité. Que dans une expérience de base avec une lentille optique, qui focalise une onde plane dans le point dans le plan focal arrière ainsi réaliser une transformation de Fourier spatiale, les projets de lentille optique électronique électrons qui ont quitté la surface à un angle particulier à un point dans le plan focal ( Figure 1). De cette manière, nous avons accès à l&#39;inverse, à savoir l&#39;élan, de l&#39;espace. La distanCE de la direction vers l&#39;avant dans le plan focal correspond à l&#39;angle, et donc de la quantité de mouvement du photoélectron. Maintenant, les électrons doivent être analysés en termes d&#39;énergie. À cet effet, la fente d&#39;entrée de l&#39;analyseur hémisphérique est placé exactement dans le plan focal de la lentille optique électronique. Tensions sur deux hémisphères sont choisis de telle sorte que seuls les électrons avec une énergie cinétique particulière (passe énergie) sera guidé exactement au milieu de deux hémisphères et la terre sur la ligne centrale du détecteur à deux dimensions. Ceux qui sont plus rapides va frapper le détecteur proche de l&#39;hémisphère externe, ceux qui sont plus lents seront déviées vers l&#39;hémisphère intérieur. De cette manière, nous pouvons obtenir la distribution d&#39;intensité de photoémission en fonction de l&#39;énergie cinétique et l&#39;angle simultanément. Le principal avantage de notre approche par rapport aux méthodes existantes est l&#39;utilisation de l&#39;He 3 cryomanipulator. Il ya au moins deux raisons pour mener oust les mesures à basses températures. Plus la température de la matière, plus barbouillé sur les états électroniques deviennent de l&#39;énergie et de l&#39;élan. Pour déterminer la structure électronique de haute précision cette température élargissement doit être évitée. En outre, de nombreuses propriétés physiques dépendent de la température, des phénomènes d &#39;ordre définis dans à basse température et la connaissance de la structure électronique de l&#39;état fondamental du système, c&#39;est à dire à T = 0, est d&#39;une importance fondamentale. L&#39;un des moyens les plus efficaces pour refroidir l&#39;échantillon jusqu&#39;à quelques dixièmes de Kelvin est de liquéfier He 3 de gaz. Dans de nombreuses expériences atteignant la sous-Kelvin températures n&#39;est pas un problème, puisque le rayonnement thermique, l&#39;ennemi principal de l&#39;ultra-basses températures, peut être efficacement protégés. Malheureusement, ce n&#39;est pas le cas dans les expériences de photoémission. Nous avons besoin de fournir un accès libre pour la lumière incidente et les électrons sortants. Ceci est réalisé par des fentes spécialement conçues en trois radiation boucliers, ayant des températures différentes. Pour compenser la charge de la chaleur provoquée par le faisceau de photons à la température ambiante et le rayonnement, la puissance de refroidissement du cryostat doit être très élevée. Cet objectif est atteint par la vitesse de pompage très important de deux pompes qui réduisent la pression de vapeur au-dessus du liquide, il 3, refroidissant ainsi le doigt froid et de l&#39;échantillon. Les spécifications de conception de notre système de He 3 font le plus puissant dans le monde entier. Il est peut-être le seul endroit sur la planète où l&#39;on peut voir une surface de 1 K froide à travers une fenêtre de température ambiante, le &quot;plus froid visible». Le croquis de l&#39;expérience de photoémission moderne est illustré à la figure 1. Le rayonnement synchrotron (en pointillés ligne verte) éclaire la surface de 1 K à froid de l&#39;échantillon et excite photoélectrons. Des électrons sont projetés à la fente d&#39;entrée de l&#39;analyseur hémisphérique, triés en fonction de l&#39;angle (traces jaune, magenta et cyan correspond à différeangles d&#39;inclinaison nt), puis sont analysés en termes d&#39;énergie cinétique. Figure 2 montre la répartition de l&#39;intensité typique en fonction de l&#39;angle d&#39;inclinaison et de l&#39;énergie cinétique. Une telle répartition de l&#39;intensité est en effet prévu que la comparaison avec des calculs de structure de bande de ce matériau montre (à droite). Ceci est notre fenêtre sur l&#39;espace réciproque. En scannant tensions sur la lentille et hémisphères et en tournant l&#39;échantillon autour de l&#39;axe vertical (angle polaire), nous pouvons explorer la gamme d&#39;énergie étendue contraignant ainsi que de vastes régions de l&#39;espace réciproque avec une précision sans précédent. En particulier, l&#39;intensité de traçage au niveau de Fermi en fonction de deux composantes de l&#39;impulsion dans le plan, calculé à partir des angles d&#39;inclinaison et polaire, on a accès directement à la surface de Fermi (FS). * Sous la rubrique «incertitude», nous entendons la meilleure estimation de l&#39;expérimentateur de savoir jusqu&#39;où une quantité expérimentale pourrait être du vrai &quot;valeur. &quot; ** La bague à faible énergie peut avoir une énergie de ~ 0,8 GeV, l&#39;une riche en énergie - jusqu&#39;à 8 GeV.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nom de réactif / Matériel </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> Des monocristaux de ZrTe 3 et TiSe 2 </td><td></td><td></td><td> augmenté par le Dr Helmut Berger, EPFL, Lausanne </td></tr><tr><td> Des monocristaux de Sr 2 RuO 4 </td><td></td><td></td><td> cultivées par le groupe du Dr Antonio Vecchione </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> ÉCHANTILLONS ZrTe 3, TiSe 2, Sr 2 RuO 4 </td></tr></tbody></table>

angle-resolved photoemission spectroscopy at ultra-low temperatures

Les propriétés physiques d&#39;un matériau sont définis par la structure électronique. Les électrons dans les solides sont caractérisés par l&#39;énergie (ω) et de l&#39;élan (k) et la probabilité de les trouver dans un état ​​particulier avec ω k donné et est décrite par la fonction spectrale A. (K, ω) Cette fonction peut être directement mesurée dans une expérience basée sur l&#39;effet photoélectrique bien connu, pour l&#39;explication de Albert Einstein, qui a reçu le prix Nobel en 1921. Dans l&#39;effet photoélectrique la lumière brille sur une surface éjecte des électrons de la matière. Selon Einstein, l&#39;économie d&#39;énergie permet de déterminer l&#39;énergie d&#39;un électron à l&#39;intérieur de l&#39;échantillon, à condition que l&#39;énergie du photon de lumière et l&#39;énergie cinétique du photoélectron sortant sont connus. Conservation de l&#39;impulsion, il est également possible d&#39;estimer k it relatif à la momentum du photoélectron en mesurant l&#39;angle selon lequel le photo-électrons quitte la surface. La version moderne de cette technique est appelée spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) et exploite les deux lois de conservation, afin de déterminer la structure électronique, de l&#39;énergie et l&#39;élan soit des électrons à l&#39;intérieur du solide. Afin de résoudre les détails cruciaux pour la compréhension des problèmes actuels de la physique de la matière condensée, trois quantités doivent être minimisés: * incertitude sur l&#39;énergie des photons, l&#39;incertitude de l&#39;énergie cinétique des photoélectrons et la température de l&#39;échantillon. Dans notre approche, nous combinons trois réalisations récentes dans le domaine du rayonnement synchrotron, science des surfaces et de la cryogénie. On utilise un rayonnement synchrotron avec l&#39;énergie des photons accordable contribuant une incertitude de l&#39;ordre de 1 meV, un analyseur d&#39;énergie d&#39;électrons, qui détecte les énergies cinétiques avec une précision de l&#39;ordre de 1 meV et un cryostat 3 Il which nous permet de maintenir la température de l&#39;échantillon en dessous de 1 K. Nous discutons les résultats obtenus exemplaires sur des monocristaux de Sr 2 RuO 4 et quelques autres matériaux. La structure électronique de ce matériau peut être déterminée avec une précision sans précédent.

Les températures ultra-basses de notre installation ainsi que la résolution de la ligne de lumière et un analyseur de nous permettre d&#39;enregistrer des spectres avec une résolution globale très élevé. Ceci est illustré dans la figure 3. Le test habituel de la résolution en énergie est de mesurer la largeur du bord de Fermi d&#39;un métal. Dans ce cas, il s&#39;agit d&#39;un film fraîchement évaporé indium. La largeur totale à mi-hauteur (FWHM) de la gaussienne, qui, lorsqu&#39;elle est...

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

L&#39;objectif général de cette méthode consiste à déterminer la structure à basse énergie électronique des solides à des températures ultra basses à l&#39;aide Angle-Resolved Spectroscopy photoémission avec le rayonnement synchrotron.

Résolution angulaire spectroscopie de photoémission à très basse température

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

Vidéo: 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.

Synthèse et Microdiffraction à des pressions et des températures extrêmes

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

Recherche

Ingénierie

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.

Sonde à balayage spectroscopie de capacité unique électron

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.

Quantum État génie de la lumière avec continu-ondes optiques paramétriques oscillateurs

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.

Enquête molécule unique adhérence par force atomique Spectroscopie

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.

Resonance Raman Spectroscopy de Extreme nanofils et autres systèmes 1D

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.

Quasi-résonance à haute résolution Phonon assistée Fluorescence Spectroscopy

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.

Free-forme légère Actionneurs - Fabrication et contrôle des Actuation dans l&#39;échelle microscopique

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.

Evanescent terrain Photoacoustique base: évaluation de la propriété optique au niveau des surfaces

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.

Un simple Dewar / Cryostat pour les échantillons Thermiquement équilibrant à des températures connues pour des mesures précises de luminescence cryogéniques

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.

Mesurer les densités des verres aqueux aux températures cryogéniques

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