私たちは感謝してロルフFollat​​h、ローランド·ヒューベル、K.モーラ、ドミトロInosov、イェルク·フィンク、アンドレアスKoitzsch、ベルント·ブフナー、アンドレイVarykhalov、エミールRienks、オリバーレーダー、セッティThirupathaiah、デニスVyalikh、セルゲイMolodtsov、クレメンスLaubschat、ラモーナの助けを承諾ウェーバー、ヘルマン·デュール、ヴォルフガング·エーベルハルト、クリスチャンユング、トーマスブルーメ、ゲルトライヒャルト、デビッド·バチェラー、甲斐Godehusen、マーティンクニュプファー、ステファンLeßny、ディルクLindackers、ステファン·レジェ、ラルフフォクトレンダー、 &quot;1-Cubedの&quot;プロジェクトを構想ロニーSchönfelder、 、設計、建設及びビームラインおよびエンドステーションだけでなく、提供される組織およびユーザサポートを依頼した。 プロジェクト &quot;ARPES 1-Cubedのは&quot;だけでなく、直接BESSYIIとIFW-ドレスデンとしてBMBF助成 &quot;高分解能ARPES&quot;​​によって資金を供給されています。この特定作業はDFG優先プログラムSPP1458によってサポートされていました、ZA 654/1-1、BO1912/3-1とBO1912/2-2を付与します。 ECおよびBPD番目旅行資金のためにヨハネスブルグ大学の理学部をANK。 MAMA - AV、RFおよびMCはグラント契約N. 264098の下、EU -FP7/2007-2013からサポートを承諾。

1。サンプルのマウント<ol><li>この実験は、ヘルムホルツZentrumのベルリンのベッシー蓄積リングによって生成される放射光を使用しています。光子は、試料が装着されている我々のエンドステーションへのビーム​​ラインを旅します。 </li><li>ここで検討されるべき材料の単結晶、ルテニウム酸ストロンチウムで始まります。試料ホルダーに接着剤にサンプルを銀系エポキシ樹脂を使用しています。銀系エポキシ樹脂は、良好な熱的および電気的接触を保証する。 </li><li>単結晶の表面に接着剤アルミトップポスト。トップ·ポストはアトミックにきれいな表面を露出させるために、超高真空中で劈開サンプルに使用されます。 </li><li>ロードロックに試料ホルダーをマウントします。 </li></ol> 2。超高真空と熱分離を達成<ol><li>超高真空チャンバーの汚染を最小限にするために、ロードロックを避難させ始めます。 </li><li>圧をモニターします。 -8約10ミリバールの圧力がいったん達成し、準備室にアセンブリを転送し、その後メインchamber.Theコールドフィンガーとサンプルホルダに特別ヘリウムポットで最良の熱接触を保証するように設計されています。 </li><li>これらのデモ版は、これは接触面積を大きくする円錐面を使用することによって達成される方法を示しています。円錐面は、互いに押し付けられると、試料ホルダと冷たい指がしっかりとチタンナットとボルトを使用して所定の位置に固定されています。 </li></ol> 3。サンプルを置いて冷却<ol><li>次のステップでは、東洋への搬送アームを用いて方位に沿ってコールドフィンガー内のサンプルです。室の反対側に取り付けられた支持アームに反力を印加しながらナットを締めて、サンプルの位置を修正します。 </li><li>薙ぎ払いは、マニピュレータを移動させることにより、サンプルは、最後は支持アームとの相互作用により除去されるように上向き。 </li><li>ビームシャッターを閉じた状態で、マニピュレータを用いてビームの位置に試料を移動させます。サンプルが適所にいったんあると、cryoshieldsが適切に閉じられていることを確認してください。 </li><li> 1-Kの鍋に揚水開始し、基準温度に試料を冷却するためにヘリウム-3ガスを循環させます。温度は、サンプルに近い測定され、実験中に変更されることはありません。 </li><li>ビームラインのビームシャッターを開きます。それはアナライザのレンズの焦点であるように、サンプルの位置を調整する装置にマイクロメータのネジを使用します。この調整は非常に重要です。 </li></ol> 4。データの収集<ol><li>セットアップの準備ができたら、アナライザの角度分解モードに切り替えて、掃引モードでスペクトルを記録。これは、2次元のエネルギー角度プロット用データを生成します。 </li><li>データを用いたフェルミ面のマップを作成します。スーパの研究のためのフェルミ準位の交差に対応する極角を選択ストロンチウムルテニウムのギャップをrconducting。 </li><li>超伝導ギャップの動作を調査するためのストロンチウムルテニウムの超伝導転移温度の上下に選ばれた極角にあるレコードの高分解能スペクトル。 </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>

特別な利害関係は宣言されません。

上に示されているように、実装された方法は、単結晶の低エネルギーの電子構造を研究する上で非常に効率的です。最近の楽器の改良が洗練された多体分光法に単なるキャラとバンドマッピングツールからARPESを向けている。近代的な実験は、固体または精度の新たなレベルを有するナノオブジェクトの電子構造についての情報を提供しています。金属の場合のフェルミ面へのアクセスは、?...

昨今ARPESは広く固体の電子構造を決定するために使用されます。通常、このメソッドのさまざまなバリエーションは、電子を励起させるのに必要な放射線の源によって定義されます。我々は、それが、広いエネルギー範囲で偏光と励起光子エネルギーを調整するためのユニークな機会を提供し、高強度、小さな帯域幅（エネルギーHNの不確実性）によって特徴づけられるので、放射光を使用して、それを収集するために狭いビームを集束させることができる数十ミクロンのスポットからの光電子。放射光とは、強力な磁石の定期的な取り決め（アンジュレータ）を通過する** 2 GeVのオーダーのエネルギーを持つリングを周回電子を強制的に電子蓄積リングで生成されます。磁場は、電子を偏向し、このような高速の電子がその方向を変更したとき、彼らは放射線を放出する。まさにこの放射線は、それがさらに単色化されている、いわゆるビームラインに導かれる回折格子によって、いくつかのミラー​​によって試料の表面に焦点を当てた。世界中の多くのそのような施設があります。当社のエンドステーションはヘルムホルツZentrumのベルリンに属しているベッシー蓄積リングのビームラインの一つに位置しています。 このARPES施設の心臓部は、電子エネルギー分析器（ 図1）です。我々は、電子が表面を残すれる運動エネルギーと角度の両方に興味を持っているので、一回の測定で、それらを検出するために非常に便利です。非常に単純な原理は、このアプローチの現実にな​​ります。こうして空間フーリエ変換、焦点面のポイントに特定の角度で表面を残した電子光学レンズプロジェクト電子を実行後焦点面でのポイントに平面波を焦点光学レンズを使った基本的な実験では、（のように図1）。このように、我々は逆数、 すなわち運動量、スペースへのアクセスを得る。 distan焦点面で前方からceは角度に、したがって、光電子の運動量に相当します。今や電子はエネルギーの観点から分析する必要がある。この目的のために半球型分析器の入射スリットを電子光学レンズの焦点面に正確に配置されます。二つの半球上の電圧は、特定の運動エネルギー（エネルギーを渡す）を持つ唯一の電子が二つの半球と2次元検出器の中心線上に土地の真ん中に正確に導かれるように選択される。速くであるものは近い外側の半球に検出器にヒットします。遅くなりますものは、内側半球の方に偏向される。このように、我々は同時に角度と運動エネルギーの関数としての光電子強度分布を得ることができます。 既存の方法に比べて我々のアプローチの主な利点は、彼は3 cryomanipulatorの使用です。 ouを運ぶために、少なくとも2つの理由があります。トン低温での測定が可能です。材料の温度が高いほど、より多くのエネルギーと運動量になる電子状態アウトまみれ。この温度が広がり、高精度な電子構造を決定するには、避けなければならない。また、多くの物理的特性は、低温系の基底状態における電子構造の知識、 すなわち T = 0で、基本的に重要である時に設定されたいくつかの順序付け現象温度に依存しています。ケルビンの割にサンプルをダウンしてクールダウンするための最も効果的な方法の一つは、彼の3ガスを液化することである。サブケルビン温度に達する多くの実験では問題ではありませんが、熱放射以来、超低温の主敵は、効果的に遮蔽することができる。残念ながら、これは光電子分光実験ではそうではありません。私たちは、入ってくる光と発信電子のための自由なアクセスを提供する必要があります。これは、3 raに特別に設計されたスリットによって実現されている異なる温度を有するdiationシールド、。光子ビームと室温放射によって引き起こされる熱負荷を補うために、クライオスタットの冷却力は非常に高いはずです。これは、このように冷たい指とサンプルを冷却、液体ヘリウム3上記の蒸気圧を軽減する2つのポンプの非常に大きな排気速度によって達成される。私たちの彼3システムの設計仕様は、それが最も強力な世界的に作る。それは、おそらく1つは &quot;寒い目に見える&quot;、室温の窓から1 K冷たい面を見ることができる地球上で唯一の場所です。 現代の光電子分光実験のスケッチを図1に示します。シンクロトロンのビームは（緑色の破線）が1 K冷試料の表面と励起光電子を照らす。電子は角度の面（イエロー、マゼンタ、シアンのトレースdiffereに対応でソート、半球型分析器の入射スリットに投影されntの傾斜角度）、次に運動エネルギーの観点から検討を行った。 図2は、チルト角と運動エネルギーの関数としての典型的な強度分布を示す。この材料のバンド構造計算との比較（右パネル）を示していますので、このような強度分布は確かに期待されています。これは、逆格子空間に我々のウィンドウです。 レンズと半球上の電圧を走査し、縦軸（極角）の周りに試料を回転させることにより、我々は広範な結合エネルギー範囲だけでなく、これまでになく詳細で逆空間の広い領域を探索することができます。特に、チルト、極角から算出した面内運動量の両方のコンポーネントの関数としてフェルミレベルで強度をプロットする、我々は、フェルミ面（FS）に直接アクセスすることができます。 我々は実験的な量は&quot;trueからかもしれないどの程度までの実験者の最善の見積りを理解して &quot;不確実性&quot;の下で*値。 &quot; 最大8 GeVの - **低エネルギーリングは〜0.8 GeVの高エネルギーの1のエネルギーを持つことができます。

<table border="1"><tbody><tr><td> 試薬/材料の名称 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> 注釈 </td></tr><tr><td> ZrTe 3とTiSe 2の単結晶</td><td></td><td></td><td>博士ヘルムート·バーガー、ローザンヌ連邦工科大学、ローザンヌで成長させた</td></tr><tr><td>のSr 2 RuO 4の単結晶</td><td></td><td></td><td>博士アントニオVecchioneのグループによって成長</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> SAMPLES ZrTe 3、TiSe 2は、Sr 2 RuO 4の </td></tr></tbody></table>

angle-resolved photoemission spectroscopy at ultra-low temperatures

物質の物理的性質は、その電子構造によって定義されます。固体中の電子がエネルギー（ω）と運動量（k）と与えられたωとkを持つ特定の状態でそれらを見つけるために、確率によって特徴付けられるスペクトル関数（K、ω）によって記述されます。この関数は、直接アルバート·アインシュタインが1921年にノーベル賞を受賞しているの説明については、よく知られている光電効果に基づいて、実験で測定することができます。光電効果において、光は物質から電子を排出表面に輝きました。アインシュタインによると、省エネは一つが試料内部の電子のエネルギーを決定することができ、知られている発信光電子の光フォトンと運動エネルギーのエネルギーを供給する。運動量の保存は、木綿に関連するkを推定することも可能になります光電子が表面に残っている角度を測定することにより、光電子のポロン。この技術の現代版は、角度分解光電子分光（ARPES）と呼ばれ、固体内部の電子の電子構造、 すなわちエネルギーと運動量を決定するために、両方の保存則を活用しています。物性物理学の局所的な問題を理解するための重要な詳細を解決するためには、3つの量を最小化する必要があります：光子エネルギーの不確かさ*、光電子と試料の温度の運動エネルギーの不確実性は。 我々のアプローチでは、放射光、表面科学、極低温分野における3つの最近の成果を兼ね備えています。我々は、1 meVのオーダーの不確かさを調整可能な貢献光子エネルギーで1 meVのオーダーとHeクライオスタット3 WHの精度で運動エネルギーを検出し、電子エネルギー分析器を放射光を使用ICHは、私たちは私たちは、Sr 2 RuO 4のといくつかの他の材料の単結晶で得られた典型的な結果を議論1 K以下に試料の温度を維持することができます。この物質の電子構造は、前例のない明快さを求めることができる。

ビームラインとアナライザの高分解能と一緒に我々のセットアップの超低温は、私たちは非常に高い全体的な分解能でスペクトルを記録することができます。これは図3に示されている。エネルギー分解能の通常のテストでは、金属のフェルミエッジの幅を測定することです。このケースでは、新たに蒸発インジウム膜である。正確にエッジを記述するステップ関数で畳み込んと?...

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

この方法の全体的な目標は、放射光を用いた角度分解光電子分光を用いた超低温で固体の低エネルギーの電子構造を決定することです。

超低温での角度分解光電子分光

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 ビュー.  IFW-Dresden. この方法の全体的な目標は、放射光を用いた角度分解光電子分光を用いた超低温で固体の低エネルギーの電子構造を決定することです。

ビデオ: 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.

エクストリーム圧力と温度での合成とMicrodiffraction

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

工学

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.

走査プローブ単電子容量分光

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.

連続波光パラメトリック発振器の光の量子状態エンジニアリング

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.

原子間力分光法による単一分子の接着性を調査

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.

エクストリームナノワイヤおよびその他の1D系の共鳴ラマン分光

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.

高解像度フォノンアシスト準共鳴蛍光分光

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.

自由形式のライトアクチュエータ - 顕微鏡スケールでの作製と作動の制御

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.

エバネセント場ベースの光音響：表面での光学特性評価

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.

正確な低温ルミネッセンス測定のための既知の温度で熱的に平衡化サンプルのための簡単​​なデュワー/クライオスタット

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.

低温での水性ガラスの密度の測定

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