Name: experimental methods for spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable laser
Uploaded: 2018-06-28T13:00:00
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Nous remercions M. Nakayama, Toyohisa S., A. Fukushima et Y. Ishida pour prend en charge le montage expérimental. Nous sommes reconnaissants de la JSPS Grantin-aides de financement pour la recherche scientifique (B) par le biais de projet no 26287061 et pour les jeunes scientifiques (B) par le biais de projet no 15K 17675. Ce travail a été également soutenu par MEXT japonais (région innovante « topologique Materials Science, » Don no 16 H 00979) et JSPS KAKENHI (Grant No 16 H 02209)

1. montage et Installation de l’échantillon
<ol><li>Découpe des échantillons monocristallins de Bi2Se313 dans une taille approximative de 1 × 1 × 0,5 mm époxy3 et utilisation axée sur le ruban à coller l’échantillon pour le porte-échantillon.</li>
	<li>Collez le ruban adhésif sur la surface de l’échantillon. Remarque : Le ruban adhésif est utilisé en conjonction avec l’échantillon en ultra haute chambre du vide (UHV) afin d’obtenir un...

<ol>
	<li>Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Angle-resolved+photoemission+studies+of+the+cuprate+superconductors.">Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors.</a> Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).</li><li>Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -. G., Kakizaki, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+compact+electron+spin+polarimeter+with+a+high+efficiency.">A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency.</a> Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).</li><li>Dil, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin+and+angle+resolved+photoemission+on+non-magnetic+low-dimensional+systems.">Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems.</a> J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001 (2009).</li><li>Hoesch, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-polarized+Fermi+surface+mapping.">Spin-polarized Fermi surface mapping.</a> J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).</li><li>Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrahigh-resolution+spin-resolved+photoemission+spectrometer+with+a+mini+Mott+detector.">Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101 (2010).</li><li>Okuda, T., Kimura, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-+and+angle-resolved+photoemission+of+strongly+spin-orbit+coupled+systems.">Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002 (2013).</li><li>Okuda, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+spin-polarized+photoemission+spectrometer+with+very+high+efficiency+and+energy+resolution.">A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution.</a> Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117 (2008).</li><li>Jozwiak, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high-efficiency+spin-resolved+photoemission+spectrometer+combining+time-of-flight+spectroscopy+with+exchange-scattering+polarimetry.">A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904 (2010).</li><li>Okuda, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+spin+resolved+spectroscopy+observation+machine+at+Hiroshima+Synchrotron+Radiation+Center.">Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center.</a> Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302 (2011).</li><li>Yaji, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+three-dimensional+spin-+and+angle-resolved+photoelectron+spectrometer+using+vacuum+ultraviolet+laser+light.">High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light.</a> Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111 (2016).</li><li>Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-temperature+and+high-energy-resolution+laser+photoemission+spectroscopy.">Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001 (2015).</li><li>Augustine, S., Mathai, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth,+morphology,+and+microindentation+analysis+of+Bi2Se3,+Bi1.8In0.2Se3,+and+Bi2Se2.8Te0.2+single+crystals.">Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals.</a> Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).</li><li>Hasan, M. Z., Kane, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Colloquium:+Topological+insulators.">Colloquium: Topological insulators.</a> Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).</li><li>Ando, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Topological+insulator+materials.">Topological insulator materials.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011 (2013).</li><li>Zhang, H., Liu, C. -. X., Qi, X. -. L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Topological+insulators+in+Bi2Se3,+Bi2Te3+and+Sb2Te3+with+a+single+Dirac+cone+on+the+surface.">Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface.</a> Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).</li><li>Cao, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+the+orbital+wavefunction+of+the+surface+states+in+three-dimensional+topological+insulators.">Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators.</a> Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).</li><li>Zhang, H., Liu, C. -. X., Zhang, S. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-orbital+texture+in+topological+insulators.">Spin-orbital texture in topological insulators.</a> Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801 (2013).</li><li>Kuroda, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+control+over+three-dimensional+spin-polarization+for+the+spin-orbit+coupled+surface+state+of+Bi2Se3.">Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3.</a> Phys. Rev. B. 94 (16), 165162 (2016).</li><li>Meier, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interference+of+spin+states+in+photoemission+from+Sb/Ag(111)+surface+alloys.">Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys.</a> J Phys-Condens Mat. 23 (7), 072207 (2011).</li><li>Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rashba-type+spin+splitting+and+spin+interference+of+the+Cu(111)+surface+state+at+room+temperature.">Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature.</a> J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).</li><li>Yaji, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-dependent+quantum+interference+in+photoemission+process+from+spin-orbit+coupled+states.">Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states.</a> Nature Commun. 8, 14588 (2017).</li><li>Noguchi, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+mapping+of+spin+and+orbital+entangled+wave+functions+under+interband+spin-orbit+coupling+of+giant+Rashba+spin-split+surface+states.">Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states.</a> Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R) (2017).</li></ol>

ARPES et SARPES techniques ont été couramment utilisées pour l’étude des structures de bandes électroniques par le biais de la cartographie de la bande et l’essorage-détection1,2. Outre ces avantages générales ci-dessus, laser-SARPES basé sur la règle de sélection orbitale en excitation optique dipôle peut être utilisé comme une technique originale pour la visualisation de l’effet de couplage spin-orbite dans l’interférence quantique et de ...

Technique de spectroscopie (ARPES) de photoémission résolue en angle est devenu un des outils plus puissants pour étudier les structures de bande quasi-particules à l’États solide1. La plupart des caractéristique attrayante d’ARPES est la capacité pour la cartographie de la bande caractériser les États électroniques dans l’espace de l’énergie et l’élan. Spin-résolu ARPES (SARPES), qui est ici équipé de détecteurs de spin, par exemple. Mott détecteur2,3, plus nous permet de résoudre le personnage de spin des structures observées bande4. Étant donné que le détecteur de Mott peut mesurer le spin avec deux axes (x et z, ou y et z), la combinaison des deux détecteurs de Mott plus permet d’obtenir l’orientation du spin en trois dimension4,5 . Depuis plusieurs décennies, cependant, les expériences SARPES ont souffert de leur faible efficacité (en général par rapport à celle pour la mesure d’ARPES essorage intégré 1/10000)3,4,5,6 ,7, qui avait limité l’énergie et angulaire-résolutions. Récemment, la résolution en énergie SARPES a été augmentée avec un détecteur de spin haut-efficace basé sur la diffusion de change, le soi-disant très basse énergie-diffraction d’électrons (VLEED) détecteur7,8,9 ,,10. Avec ce détecteur, la qualité des données a été considérablement améliorée et le temps d’acquisition de données a été raccourci. Récemment, SARPES a su grandement pour régler la polarisation du spin des États électroniques et en particulier les effets de couplage spin-orbite aboutissant à la texture de la rotation des bandes surface7.
Ici, nous utilisons SARPES mesures avec un ultraviolet sous vide de polarisation variable laser lumière (laser-SARPES) et démontrer les grands avantages de cette technique combinée. Par le biais de l’enquête sur les États de surface de spin-orbite couplé en Bi2Se3, nous présentons deux fonctionnalités du laser-SARPES. Tout d’abord, en raison de la règle de sélection orbitale des lasers polarisées linéairement dans le régime de transition dipolaire, p- et s-lumières polarisées excitent sélectivement une partie d’eigen-fonctions d’ondes à symétrie orbital différente. Telle une excitation sélective orbitale est ainsi disponible en SARPES, nommément orbitale sélectif SARPES. Deuxièmement, en trois dimensions (3D) spin-détection en SARPES indique la direction de l’axe de rotation quantique et affiche directement les informations complètes de la dépendance de la lumière-polarisation. Dans ce protocole, nous décrivons brièvement une méthodologie pour effectuer cette technique de l’état-of-the-art laser-SARPES pour étudier les effets de couplage spin-orbite forte.
Notre système de laser-SARPES est situé à l’Institut de physique de l’état solide, l’Université de Tokyo,11. Le dessin schématique de notre machine laser-SAPRES est illustré à la Figure 1. La lumière laser de polarisation variable 7-eV12 illumine la surface de l’échantillon et de photoélectrons sont émis par l’échantillon. La polarisation du laser est contrôlée automatiquement par MgF2- fonction λ/2 - et λ/4-waveplates à utiliser de façon sélective des polarisations linéaires et circulaires. Un analyseur hémisphérique électron corrige les photoélectrons et analyse leur énergie cinétique (Ekin) et l’angle d’émission (θx et yde la θ). Les intensités de photoélectrons sont mappées sur le Ekin-θx écran surveillé par une caméra CCD. Cette image est directement transformée en la structure de bande d’énergie dans l’espace réciproque.
Pour la mesure en SARPES photoélectrons avec un angle d’émission spécifique et de l’énergie cinétique analysés par l’analyseur électronique sont guidés vers deux détecteurs de spin de type VLEED avec un déflecteur de photoélectrons de 90 degrés et les faisceaux de photoélectrons sont concentrent sur deux différentes cibles de Fe(001) - films dep(1 × 1) terminés par l’oxygène. Photoélectrons reflétées par les cibles sont détectés dans la détection monocanal en utilisant un channeltron placé dans chaque détecteur de spin. Les objectifs VLEED peuvent être aimantés avec bobines électriques type Helmholtz, qui sont disposés à géométrie orthogonale par rapport à l’autre. La direction de l’aimantation est contrôlée par la Banque de condensateur bipolaire. Les détecteurs de spin VLEED doubles ainsi nous permettent d’analyser le vecteur rotation de la polarisation de la photoélectronique en trois dimensions.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>DA30-L hemispherical analyzer</td>
			<td>ScientaOmicron</td>
			<td></td>
			<td>http://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver-based epoxy</td>
			<td>Epoxy Technology</td>
			<td>H20E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sctoch tape</td>
			<td>3M</td>
			<td>801-1-18C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UHV valve</td>
			<td>VAT</td>
			<td>01034-KE01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>linear/rotary feedthrough</td>
			<td>Ferrovac</td>
			<td>MD40</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>transfer rod</td>
			<td>UHV design</td>
			<td>PP series</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>wobble stick</td>
			<td>Ferrovac</td>
			<td>WM40</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paladin compact 355</td>
			<td>Coherent</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>half waveplate</td>
			<td>Kogakugiken</td>
			<td></td>
			<td>order made</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bipolar condenser bank</td>
			<td>Tsuji electronics</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

experimental methods for spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable laser

Le but du présent protocole est de présenter comment effectuer l’essorage et angle-résolue de spectroscopie de photoémission combinée avec polarisation variable 7-eV laser (laser-SARPES) et démontrer une puissance de cette technique pour étudier la physique du solide. Laser-SARPES réalise deux grandes capacités. Tout d’abord, en examinant la règle de sélection orbitale des lasers polarisées linéairement, excitation sélective orbitale est réalisable dans SAPRES expérience. Deuxièmement, la technique peut afficher toute information d’une variation de l’axe de rotation quantique en fonction de la polarisation de la lumière. Pour démontrer la puissance de la collaboration de ces capacités en laser-SARPES, nous appliquons cette technique pour les enquêtes sur les États de surface de couplage de spin-orbite de Bi2Se3. Cette technique permet de décomposer les composants spin et orbitale depuis les fonctions d’onde de spin-orbite couplé. En outre, comme un avantage représentatif de l’utilisation de la détection directe de spin a collaboré avec le laser de polarisation variable, la technique visualisé sans ambiguïté par la dépendance de la polarisation de la lumière de l’axe de rotation quantique en trois dimensions. Laser-SARPES augmente de façon spectaculaire une capacité technique de photoémission.

Avant de commencer les expériences SARPES, k positions doivent être déterminés avec précision pour la prise de spin résolue en fonction du spectre en utilisant haute statistique intégré essorage ARPES résultats avec énergie - et angulaire-résolutions élevées (protocole de 5,1 à 5,5). Cela est illustré dans la Figure 7 où les résultats ARPES pour un Bi2monocristal de3 Se sont présentés. Ce matériau est connu c...

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Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser

Ici, nous combinons polarisation variable 7-eV laser avec la technique de photoémission résolue de spin et d’angle pour visualiser l’effet de couplage spin-orbite dans les États solides.

Méthodes expérimentales de Spin - et Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy combiné avec polarisation Variable Laser

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

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 ...

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