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

Vi takknemlig erkjenne hjelp av Rolf Follath, Roland Hubel, K. Mohler, 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, som unnfanget &quot;1-cubed&quot; prosjekt , designet, konstruert og bestilt beamline og end-stasjon samt gitt organisatorisk og brukerstøtte. Prosjektet &quot;1-cubed ARPES&quot; ​​er finansiert av BMBF stipend &quot;Høyeste oppløsning ARPES&quot; ​​samt direkte av BESSYII og IFW-Dresden. Dette arbeidet ble støttet av DFG prioritet programmet SPP1458, gir 654/1-1 A, BO1912/3-1 og BO1912/2-2. EC og BPD thANK matematisk-naturvitenskapelige fakultet ved Universitetet i Johannesburg om utenlandsopphold. AV, RF og MC erkjenner støtte fra EU -FP7/2007-2013 henhold tilskuddsavtalen N. 264098 - MAMA.

1. Montere Sample <ol><li> Dette eksperimentet bruker synkrotronstråling produsert av Bessy lagring ring av Helmholtz-Zentrum Berlin. Fotoner reiser beamline til vår ende-stasjon der en prøve er montert. </li><li> Begynn med en enkelt krystall av materialet som skal undersøkes, her strontium ruthenate. Bruk sølvbaserte epoksyen lim prøven til prøveholderen. Den sølvbaserte epoksy sikrer god termisk og elektrisk kontakt. </li><li> Lim et aluminium-post til den overflaten av enkelt-krystall. Toppen-innlegget vil...

<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>

Som vist ovenfor, er den implementerte metoden svært effektiv i å studere lavenergi elektroniske struktur enkrystaller. Siste instrumentale forbedringer har slått ARPES fra bare karakterisering og band-kartleggingsverktøy til en sofistikert mange-body spektroskopi. En moderne eksperiment leverer informasjon om den elektroniske struktur av et fast stoff eller en nano-objekt med et nytt nivå av presisjon. Adgang til Fermi overflaten i tilfelle av et metall, kan energi gap på halvledere og isolatorer, deres overflate...

Dag ARPES er mye brukt for å bestemme den elektroniske struktur av faste stoffer. Vanligvis er forskjellige varianter av denne metoden definert av kilden av strålingen trengs å eksitere elektroner. Vi bruker synkrotronstråling siden det gir en unik mulighet til å justere polarisering og eksitasjon foton energi i et vidt energiområdet og er preget av høy intensitet, liten båndbredde (usikkerhet i energi hn), og det kan være fokusert til en smal stråle å samle photoelectrons fra en flekk av noen titalls mikrometer. Synkrotronstråling genereres i elektron lagring ringene tvinge elektroner som sirkulerer i ringen med en energi av størrelsesorden 2 GeV ** for å passere gjennom periodiske arrangementer av sterke magneter (undulators). Det magnetiske feltet deflects elektronene og når slike raske elektroner endre sin retning de avgir stråling. Akkurat denne strålingen blir deretter ledet inn i såkalte beamline hvor det videre monochromatizedved et diffraksjonsgitter og fokusert på overflaten av prøven ved flere speil. Det er mange slike anlegg verden over. Vår ende-stasjon ligger ved en av de beamlines av Bessy lagring ring som tilhører Helmholtz-Zentrum Berlin. Hjertet av denne ARPES anlegget er elektronet energi analysator (figur 1). Siden vi er interessert i både kinetisk energi og vinkel som elektroner forlate overflaten, er det veldig praktisk å oppdage dem i en måling. En veldig enkelt prinsipp gjør denne tilnærmingen en realitet. Som i en grunnleggende eksperiment med en optisk linse som fokuserer en plan bølge inn poenget i ryggen fokalplan dermed utføre romlig Fourier transformasjon, elektronet optisk linse prosjekter elektroner som forlot overflaten ved bestemt vinkel til et punkt i fokalplanet ( Figur 1). På en slik måte får man tilgang til den omvendt dvs. momentum, plass. Den distance fra retning forover i fokalplanet tilsvarer vinkel og dermed til fremdrift av fotoelektron. Nå elektronene må analyseres i form av energi. For dette formålet inngangen splitten i halvkuleformede analysatoren plasseres nøyaktig i fokalplanet av elektronet optisk linse. Spenninger på to hemisfærer er valgt slik at bare elektroner med særlig bevegelsesenergi (pass energi) vil bli ledet nøyaktig i midten av to halvkuler og lande på den sentrale linje av den todimensjonale detektoren. De som er raskere vil treffe detektoren nærmere den ytre halvkule, de som er langsommere blir avbøyet mot den indre halvkule. På en slik måte kan vi få fotoemisjonsspektroskopi intensitetsfordeling som funksjon av vinkel-og kinetisk energi samtidig. Den største fordelen med vår tilnærming over eksisterende metoder er bruk av han tre cryomanipulator. Det er minst to grunner for å bære out de målinger ved lave temperaturer. Jo høyere temperaturen av materialet, jo mer utflytende ut elektroniske statene blitt i energi og bevegelsesmengde. Å bestemme den elektroniske struktur med høy presisjon denne temperaturen utvidelse må unngås. Også mange fysiske egenskaper er temperaturavhengig, noen bestilling fenomener satt i ved lave temperaturer og kunnskap om elektroniske struktur i grunntilstanden av systemet, dvs. ved T = 0, er av fundamental betydning. En av de mest effektive måtene å kjøle ned prøven ned til tiendedeler av en Kelvin er å kondensere Han 3 gass. I mange forsøk nådde sub-Kelvin-temperaturer er ikke et problem, siden termisk stråling, hovedfienden av ultra-lave temperaturer, kan effektivt skjermet. Dessverre er dette ikke tilfelle i photoemission eksperimenter. Vi trenger å gi gratis tilgang for innkommende lys og utgående elektroner. Dette oppnås ved spesialdesignet spaltene i tre radiation skjold, med forskjellige temperaturer. For å kompensere for varmebelastning forårsaket av fotonstråle og rom-temperatur stråling bør kjøleeffekten av kryostaten være svært høy. Dette oppnås ved den svært store pumpehastighet av to pumper som reduserer damptrykket over væsken Han 3 og dermed avkjøles kalde fingeren og prøve. Design spesifikasjoner av våre Han 3-systemet gjør den til den kraftigste i verden. Det er kanskje det eneste stedet på kloden der man kan se en 1 K kald overflate gjennom en romtemperatur vindu, den &quot;kaldeste synlig&quot;. Skissen av den moderne fotoemisjonsspektroskopi eksperimentet er vist i figur 1. Den synkrotron bjelke (stiplet grønn linje) lyser opp en K kald overflate av prøven og begeistrer photoelectrons. Elektroner er anslått til inngangen splitten i halvkuleformet analysator, sortert i form av vinkel (gul, magenta og cyan spor tilsvarer different oppvipp) og deretter blir analysert i form av kinetisk energi. Figur 2 viser den typiske intensitetsfordeling som funksjon av vinkel-og kinetisk energi. En slik intensitet distribusjon er faktisk forventet som sammenligning med bandet struktur beregninger av dette materialet viser (høyre panel). Dette er et vindu inn gjensidige plass. Ved å skanne spenninger på objektivet og halvkuler og rotere prøven rundt den vertikale aksen (polar vinkel) kan vi utforske det brede bindende energiområdet samt bred regioner av gjensidig plass med enestående detalj. Spesielt plotting intensitet ved Fermi nivå som en funksjon av begge komponenter av den i planet momentum, beregnet fra vippe og polare vinkler, har vi direkte tilgang til Fermi overflaten (FS). * Under &quot;usikkerhet&quot; vi forstår eksperimentator beste estimat for hvor langt en eksperimentell mengde kan være fra den &quot;sanneverdi. &quot; ** Den lavenergi ringen kan ha en energi på ~ 0,8 GeV, høyenergi en - opptil 8 GeV.

<table border="1"><tbody><tr><td> Navn på reagens / Material </td><td> Selskapet </td><td> Katalognummer </td><td> Kommentarer </td></tr><tr><td> Enkrystaller av ZrTe 3 og petanse 2 </td><td></td><td></td><td> vokst med Dr Helmut Berger, EPFL, Lausanne </td></tr><tr><td> Enkrystaller av Sr 2 RUO 4 </td><td></td><td></td><td> vokst med gruppen av Dr Antonio Vecchione </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> PRØVER ZrTe 3, 2 petanse, 2 Sr RUO 4 </td></tr></tbody></table>

angle-resolved photoemission spectroscopy at ultra-low temperatures

De fysiske egenskapene til et materiale er definert av dens elektroniske struktur. Elektroner i faststoffene kjennetegnes av energi (ω) og bevegelsesmengden (k) og sannsynligheten for å finne dem i en bestemt tilstand med gitt ω og k er beskrevet av den spektrale funksjonen A (k, ω). Denne funksjonen kan måles direkte i et eksperiment basert på den velkjente fotoelektrisk effekt, for å forklare hvilke Albert Einstein fikk nobelprisen tilbake i 1921. I den fotoelektriske effekt lyste på en overflate støter elektroner fra materialet. Ifølge Einstein, tillater energisparing en å bestemme energien av et elektron inne prøven, forutsatt at energien av lyset foton og kinetisk energi av den utgående fotoelektron er kjent. Momentum bevaring gjør det også mulig å estimere k å knytte den til den momentum av fotoelektron ved å måle vinkelen fotoelektron forlot overflaten. Den moderne versjonen av denne teknikken kalles Angle-Løst photoemission spektroskopi (ARPES) og utnytter både bevaringslover for å fastslå den elektroniske struktur, dvs. energi og fremdrift av elektroner inne i solid. For å løse detaljene avgjørende for å forstå de aktuelle problemene kondenserte fasers fysikk, tre mengder må minimeres: usikkerhet * i fotonenergi, usikkerhet i kinetisk energi photoelectrons og temperaturen i prøven. I vår tilnærming kombinerer vi tre siste prestasjoner innen synkrotronstråling, overflate vitenskap og cryogenics. Vi bruker synkrotronstråling med avstembar fotonenergi bidrar en usikkerhet på størrelsesorden 1 MeV, et elektron energi analysator som detekterer de kinetiske energier med en presisjon av størrelsesorden 1 MeV og en han 3 cryostat which tillater oss å holde temperaturen på prøven under 1 K. Vi diskuterer eksemplarisk resultater oppnådd på enkle krystaller av Sr 2 RUO 4 og noen andre materialer. Den elektroniske strukturen av dette materialet kan avgjøres med en enestående klarhet.

De ultra-lave temperaturer på oppsettet vårt sammen med den høye oppløsningen på beamline og analysator tillater oss å spille inn spektra med svært høy total oppløsning. Dette er illustrert i figur 3.. Den vanlige test av energi oppløsning er å måle bredden av Fermi kanten av et metall. I dette tilfellet er det en ferskt inndampet indium film. Den fulle bredde ved halv maksimal (FWHM) i Gauss, som når convoluted med trinn-funksjon nøyaktig beskriver kanten, er av størrelsesorden 2 MeV. Av...

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

Det overordnede målet med denne metoden er å bestemme lavenergi elektronisk struktur av faste stoffer ved svært lave temperaturer ved hjelp av Vinkel-Løst photoemission spektroskopi med synkrotronstråling.

Vinkel-løst photoemission Spectroscopy At Ultra-lave temperaturer

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

Syntese og Microdiffraction ved ekstreme trykk og temperaturer

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

Skanning-probe Single-elektron Kapasitans spektroskopi

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 med kontinuerlig bølge Optisk parametriske oscillatorer

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

Gransker enkelt molekyl Adhesjon av Atomic Force spektroskopi

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

Resonans Raman spektroskopi av Extreme Nanowires og andre 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-assistert Quasi-resonans flourescensspektroskopi

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

Frihånds Lys Aktuatorer - Fabrikasjon og kontroll av aktivering i Mikroskopisk Scale

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

Flyktige feltet Basert Photoacoustics: Optisk Evaluering eiendom på Overflater

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

En enkel Dewar / Cryostat for Varme equilibrating Prøver på Kjente Temperaturer for nøyaktig Kryogen Lumi-nescence Målinger

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

Måling av tetthetene av vandige briller ved kryogene temperaturer

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