Name: angle-resolved photoemission spectroscopy at ultra-low temperatures
Uploaded: 2012-10-09T12:55:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures at JoVE.com

We dankbaar erkennen de hulp van 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, die bedacht het &quot;1-blokjes&quot;-project , ontworpen, geconstrueerd en in opdracht van de bundellijn en end-station en voorzien organisatorische en ondersteuning van de gebruikers. Het project &quot;1-blokjes ARPES&quot; ​​is gefinancierd door BMBF subsidie ​​&quot;Hoogste Resolutie ARPES&quot; ​​en direct aan BESSYII en IFW-Dresden. Deze bijzondere werk werd ondersteund door de DFG prioritaire programma SPP1458, verleent ZA 654/1-1, BO1912/3-1 en BO1912/2-2. EG en BPD eAnk de Faculteit der Natuurwetenschappen van de Universiteit van Johannesburg voor reizen financiering. AV, RF en MC erkennen steun van de EU -FP7/2007-2013 onder subsidieovereenkomst N. 264098 - MAMA.

1. Montage van de Sample <ol><li> Dit experiment maakt gebruik van synchrotron straling geproduceerd door de BESSY opslag ring van Helmholtz-Zentrum Berlin. De fotonen reizen bundellijn aan onze end-station waar een monster is gemonteerd. </li><li> Begin met een enkel kristal van het te onderzoeken materiaal, hier strontium ruthenate. Gebruik zilver-gebaseerde epoxy te lijmen het monster naar de monsterhouder. Het zilver gebaseerde epoxy zorgt voor een goede thermische en elektrische contact. </li><li> Lijm een ​​...

<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>

Zoals hierboven vermeld, de geïmplementeerde werkwijze is zeer efficiënt in het bestuderen van de lage-energie elektronische structuur van eenkristallen. Recente instrumentale verbeteringen hebben zich ARPES van een eenvoudige karakterisering en band-mapping tool in een verfijnde veel-deeltjes spectroscopie. Een moderne experiment levert informatie over de elektronische structuur van een vaste stof of een nano-object met een nieuw niveau van precisie. Toegang tot de Fermi oppervlak in het geval van een metaal, energie...

Tegenwoordig ARPES wordt veel gebruikt om de elektronische structuur van vaste stoffen te bepalen. Meestal zijn verschillende varianten van deze methode die door de bron van de straling die nodig is om de elektronen te exciteren. We gebruiken synchrotronstraling aangezien het een unieke gelegenheid om de polarisatie en de excitatie foton energie afstemmen op een wijd energiebereik en wordt gekenmerkt door hoge intensiteit, kleine bandbreedte (onzekerheid in energie hn) en kan worden gericht op een smalle bundel te verzamelen foto-elektronen van een vlek van enkele tientallen microns. Synchrotronstraling wordt gegenereerd in electron opslagringen dwingen elektronen circuleren in de ring met een energie van de orde van 2 GeV ** passeren periodieke wijze van sterke magneten (undulators). Het magnetische veld buigt de elektronen en wanneer deze snelle elektronen hun richting te veranderen die ze uitstoten straling. Precies deze straling wordt dan in de zogenaamde bundellijn waar het verder wordt monochromatizedeen diffraktieraster en gericht op het oppervlak van het monster door verschillende spiegels. Er zijn veel van dergelijke faciliteiten over de hele wereld. Het eindstation ligt aan een van de bundellijnen van de BESSY opslagring die behoort tot de Helmholtz-Zentrum Berlin. Het hart van deze ARPES faciliteit is de elektronen-energie analysator (figuur 1). Omdat we geïnteresseerd in zowel de kinetische energie en de hoek waarmee elektronen geven het oppervlak, is het handig om ze op een meting. Een zeer eenvoudige principe maakt deze aanpak een realiteit. Als in een eenvoudige experiment met een optische lens die een vlakke golf zich in een punt van de rug brandvlak aldus uitvoeren ruimtelijke Fourier transformatie, de optische lens projecten elektronen die het oppervlak over voor bepaalde hoek naar een punt in het brandvlak ( figuur 1). Op die manier krijgen we toegang tot de wederzijdse, dat wil zeggen momentum, de ruimte. De distance van de voorwaartse richting in het brandvlak overeenkomt met de hoek en dus de impuls van het foto-elektron. Nu de elektronen worden geanalyseerd in termen van energie. Hiertoe de ingangsspleet van de halfbolvormige analysator wordt precies in het brandvlak van de optische lens. Spanningen op twee hersenhelften worden zodanig gekozen dat slechts elektronen met bepaalde kinetische energie (beweeg de energie) zal precies worden geleid in het midden van twee hersenhelften en land op de centrale lijn van de twee dimensionale detector. Die die sneller zal raken de detector dichter bij de buitenste halfrond: die welke langzamer zal worden afgebogen in de richting van de binnenste halfrond. Zodanig kunnen we de fotoemissie intensiteitsverdeling als functie van de hoek en kinetische energie tegelijk. Het belangrijkste voordeel van onze werkwijze boven bestaande methoden is het gebruik van de He cryomanipulator 3. Er zijn minstens twee redenen ou voerent metingen bij lage temperaturen. Hoe hoger de temperatuur van het materiaal, hoe uitgesmeerd de elektronische toestanden worden in energie en momentum. De elektronische structuur met hoge precisie deze temperatuur verbreding moet worden vermeden bepalen. Ook veel fysische eigenschappen zijn afhankelijk van de temperatuur, wat het bestellen van verschijnselen in bij lage temperaturen en de kennis van de elektronische structuur van de grondtoestand van het systeem, dat wil zeggen bij T = 0, is van fundamenteel belang. Een van de meest effectieve manieren om af te koelen van het monster tot op tienden van een Kelvin is om vloeibaar te maken Hij 3 gas. In veel experimenten bereiken van sub-Kelvin temperaturen is geen probleem, want thermische straling, de belangrijkste vijand van ultra-lage temperaturen, effectief kan worden afgeschermd. Helaas is dit niet het geval fotoemissie experimenten. We moeten de vrije toegang van het binnenkomende licht en uitgaande elektronen te bieden. Dit wordt gerealiseerd door speciaal spleten in drie ramediatie schilden met verschillende temperaturen. Ter compensatie van de warmtebelasting door de fotonenstralen en kamertemperatuur straling moet het koelvermogen van de cryostaat zeer hoog. Dit wordt bereikt door de grote pompsnelheid van twee pompen die de dampspanning boven de vloeistof Hij 3 verminderen, waardoor het afkoelen van de koudevinger en monster. De specificaties van het ontwerp van onze Hij 3-systeem maken het de meest krachtige ter wereld. Het is misschien wel de enige plek op de planeet waar men een 1 K koud oppervlak te zien door een kamertemperatuur venster, de &quot;koudste zichtbaar&quot;. De schets van de moderne fotoemissie experiment wordt getoond in figuur 1. De synchrotron balk (groene stippellijn) verlicht de 1 K koude oppervlak van het monster en prikkelt foto-elektronen. Elektronen worden geprojecteerd naar de ingangsspleet van de halfronde analysator, gesorteerd in termen van hoek (geel, magenta en cyaan sporen overeenkomen met verschillemnt helling) en geanalyseerd in termen van kinetische energie. Figuur 2 toont de typische intensiteitsverdeling als functie van de hellingshoek en kinetische energie. Een dergelijke intensiteitsverdeling Verwacht wordt immers de vergelijking met bandstructuur berekeningen van dit materiaal blijkt (rechter paneel). Dit is ons raam in de reciproke ruimte. Door het scannen van spanningen op de lens en hemisferen en draaien van de monsters om de verticale as (polaire hoek) kunnen we verkennen het brede bindingsenergie assortiment en een wijds regio&#39;s van de reciproke ruimte met ongekende details. Met name plotten intensiteit op Fermi niveau als functie van beide componenten van de in-plane momentum waarmede tilt en polaire hoeken, we hebben direct toegang tot het Fermi oppervlak (FS). * Onder &quot;onzekerheid&quot; verstaan ​​we de experimentator de beste schatting van hoe ver een experimentele hoeveelheid zou kunnen zijn van de &quot;warewaarde. &quot; ** De lage-energie ring kan een energie van ~ 0,8 GeV, de hoge-energie een - tot 8 GeV.

<table border="1"><tbody><tr><td> Naam van de Reagens / Materiaal </td><td> Vennootschap </td><td> Catalogus nummer </td><td> Reacties </td></tr><tr><td> Eenkristallen van ZrTe 3 en Tise 2 </td><td></td><td></td><td> gegroeid door Dr Helmut Berger, EPFL, Lausanne </td></tr><tr><td> Eenkristallen van Sr 2 RuO 4 </td><td></td><td></td><td> gegroeid door de groep van Dr Antonio Vecchione </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> MONSTERS ZrTe 3, Tise 2, Sr 2 RuO 4 </td></tr></tbody></table>

angle-resolved photoemission spectroscopy at ultra-low temperatures

De fysische eigenschappen van een materiaal worden bepaald door de elektronische structuur. Elektronen in vaste stoffen worden gekenmerkt door energie (ω) en momentum (k) en de kans dat ze in een bepaalde toestand met gegeven ω en k wordt beschreven door de spectrale functie A (k, ω). Deze functie kan direct worden gemeten in een experiment op basis van de bekende foto-elektrisch effect voor de uitleg daarvan Albert Einstein de Nobelprijs terug in 1921. In het foto-elektrisch effect scheen het licht op een oppervlak uitgeworpen elektronen uit het materiaal. Volgens Einstein energiebesparing kan men bepalen de energie van een elektron in het monster, mits de energie van het licht foton en kinetische energie van de uitgaande foto-elektron bekend. Momentum instandhouding maakt het ook mogelijk is om k relateren aan de momentum van het foto-elektron door meting van de hoek waaronder de foto-oppervlak verlaten. De moderne versie van deze techniek heet hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie (ARPES) en exploiteert zowel behoudswetten in om de elektronische structuur te bepalen, dat wil zeggen energie en dynamiek van elektronen in de vaste stof. Om de details van cruciaal belang voor het begrijpen van de actuele problemen van gecondenseerde materie oplossen drie grootheden moeten worden geminimaliseerd: * onzekerheid in foton energie, onzekerheid in kinetische energie van foto-elektronen en temperatuur van het monster. In onze aanpak combineren we drie recente prestaties op het gebied van synchrotron straling, oppervlakte wetenschap en cryogene. We gebruiken synchrotronstraling met afstelbare foton energie bijdraagt ​​een onzekerheid in de orde van 1 MeV, een elektron energie analysator die de kinetische energie detecteert met een nauwkeurigheid in de orde van 1 MeV en hij 3 cryostaat which kunnen we de temperatuur van het monster onder 1 K. We bespreken de voorbeeldige resultaten op eenkristallen van Sr 2 RuO 4 en sommige andere materialen. De elektronische structuur van dit materiaal kan worden bepaald met een ongekende helderheid.

De ultra-lage temperaturen van onze opstelling in combinatie met de hoge resolutie van de bundellijn en analyser kunnen wij spectra op te nemen met een zeer hoge totale resolutie. Dit wordt geïllustreerd in figuur 3. De gebruikelijke test van de energieresolutie is het meten van de breedte van de Fermi rand van een metaal. In dit geval is een vers verdampt indium film. De breedte bij half maximum (FWHM) van de Gauss, die bij ondoorzichtig door de step-functie precies beschrijft de rand, in de orde van ...

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

Het algemene doel van deze methode is het bepalen van de lage-energie elektronische structuur van vaste stoffen bij ultralage temperaturen met behulp van hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie met synchrotron straling.

Hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie bij ultralage temperaturen

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

Synthese en microdiffraction bij extreme drukken en temperaturen

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

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-probe Single-electron Capaciteit Spectroscopie

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

Quantum State Engineering of Light met Continuous-wave optische parametrische oscillatoren

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

Onderzoekt Single Molecule Hechting van Atomic Force 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

Resonantie Raman Spectroscopie van Extreme Nanodraden en andere 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 ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High Resolution Phonon ondersteunde Quasi-resonantie fluorescentiespectroscopie

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

Free-form Light Actuators ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Â Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Free-form Light Actuators - Fabricage en Controle van de Aandrijving in microscopische schaal

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

Evanescent Field Gebaseerd Fotoakoestiek: Optical Property Evaluatie aan oppervlakken

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

A Simple Dewar / cryostaat voor het thermisch evenwicht brengen van monsters bij temperaturen bekend voor Accurate cryogene Luminescentie Metingen

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

Het meten van de dichtheden van waterige glazen bij cryogene temperaturen

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