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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Ringraziamo M. Nakayama, Toyohisa S., r. Fukushima e Y. Ishida per supporta per la messa a punto sperimentale. Noi riconosciamo con gratitudine da JSP Grantin-aiuti di finanziamento per la ricerca scientifica (B) attraverso il progetto n. 26287061 e per giovani scienziati (B) attraverso il progetto n ° 15K 17675. Quest'opera fu appoggiata anche dal MEXT del Giappone (Area innovativa "topologico scienza dei materiali," concedere n ° 16 H 00979) e JSPS KAKENHI (Grant No. 16 H 02209)

1. installazione e montaggio del campione
<ol><li>Tagliare i campioni del singolo-cristallo di Bi2Se313 in una dimensione approssimativa di 1 × 1 × 0,5 mm3 e uso basati su nastro resina epossidica per incollare l'esempio per il supporto del campione.</li>
	<li>Incollare il nastro adesivo sulla superficie del campione. Nota: Il nastro scotch è utilizzato per fendere il campione in ultraelevato camera da vuoto (UHV) per ottenere una superficie pulita in modo ...

<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>

Tecniche di ARPES e SARPES sono stati comunemente utilizzate per lo studio di strutture di gruppo elettronico attraverso la mappatura di banda e spin-rilevamento1,2. Oltre a questi vantaggi generali sopra indicati, laser-SARPES basato sulla regola di selezione orbitale nell'eccitazione ottica dipolo può essere impiegato come una tecnica novella per visualizzare l'effetto di accoppiamento spin-orbitale l'interferenza di spin funzione d'onda e quantistica . Come i...

Tecnica di spettroscopia (ARPES) risolti in angolo di fotoemissione è diventata uno degli strumenti più potenti di indagare strutture di banda quasiparticella in stati solidi1. La maggior parte della caratteristica attraente di ARPES è la funzionalità per la mappatura di banda caratterizzare gli stati elettronici nello spazio di energia e quantità di moto. Risolta in spin ARPES (SARPES), che qui è dotata di rilevatori di spin, ad es. Mott rivelatore2,3, ulteriormente consente di risolvere il carattere di spin delle strutture osservate banda4. Poiché il rilevatore di Mott può misurare la rotazione con due assi (x e z, o y e z), la combinazione dei due rivelatori Mott ulteriormente permette di ottenere l'orientamento di rotazione in tre dimensioni4,5 . Per diversi decenni, tuttavia, gli esperimenti SARPES furono subiti dalla loro bassa efficienza (in genere 1/10000 rispetto a quella per spin-integrato misura ARPES)3,4,5,6 ,7, che aveva limitato l'energia e l'angolare-risoluzioni. Recentemente, è stata aumentata la risoluzione di energia di SARPES con un rilevatore di rotazione alto-efficiente basato sullo scattering di scambio, il cosiddetto molto-basso-energia-diffrazione elettronica (VLEED) rivelatore7,8,9 ,10. Con questo rilevatore, la qualità dei dati è stata notevolmente migliorata e il tempo di acquisizione dei dati è stato accorciato. Recentemente, SARPES ha riuscito notevolmente per indirizzo polarizzata in spin di stati elettronici e particolarmente effetto di accoppiamento spin-orbita conseguente la texture di spin delle bande di superficie7.
Qui, ci avvaliamo di SARPES le misure con una polarizzazione-variabile sottovuoto ultravioletto laser luce (laser-SARPES) e dimostrare i grandi vantaggi di questa tecnica unita. Attraverso l'indagine sugli stati di superficie spin-orbita accoppiato in Bi2Se3, presentiamo due funzionalità del laser-SARPES. In primo luogo, a causa della regola di selezione orbitale dei laser polarizzato linearmente in regime di transizione di dipolo, p- e s-luci polarizzate eccitano selettivamente una parte di eigen-funzioni d'onda con differente simmetria orbitale. Tale un'eccitazione selettiva orbitale è quindi disponibile in SARPES, vale a dire, orbital-selettivo SARPES. In secondo luogo, tridimensionale (3D) spin-rilevazione in SARPES indica la direzione dell'asse di quantum di rotazione e direttamente Visualizza informazioni complete della dipendenza dalla luce-polarizzazione. In questo protocollo, descriviamo brevemente una metodologia per eseguire questa tecnica di state-of-the-art laser-SARPES per studiare gli effetti di accoppiamento spin-orbita forte.
Il nostro sistema di laser-SARPES si trova presso l'Istituto di fisica dello stato solido, The University of Tokyo11. Il disegno schematico della nostra macchina laser-SAPRES è illustrato nella Figura 1. La polarizzazione-variabile 7-eV laser luce12 illumina la superficie del campione ed i fotoelettroni emessi dal campione. La polarizzazione del laser è controllata automaticamente dal MgF2- base λ/2 - e λ/4-birifrangenti per utilizzare selettivamente le polarizzazioni lineari e circolari. Un analizzatore emisferico dell'elettrone corregge i fotoelettroni e analizza la loro energia cinetica (Eparenti) e l'angolo di emissione (θx e θy). Le intensità di fotoelettroni vengono mappate su Ekin-θx schermo controllato da una telecamera CCD. Questa immagine viene trasformata direttamente nella struttura a bande di energia nello spazio reciproco.
Per la misura di SARPES, i fotoelettroni con angolo di emissione specifica ed energia cinetica analizzati dall'analizzatore dell'elettrone sono guidati a due rivelatori di spin VLEED-tipo con un deflettore del fotoelettrone 90 gradi e le travi di fotoelettroni sono focalizzate su due diversi target di Fe(001) -p(1 × 1) film terminato da ossigeno. Fotoelettroni riflettuti dalle destinazioni vengono rilevati nella rilevazione di singolo canale utilizzando un channeltron collocato in ogni spin rivelatore. Gli obiettivi VLEED possono essere magnetizzati con bobine elettriche Helmholtz-tipo, che sono organizzate con geometria ortogonale rispetto alla vicenda. La direzione di magnetizzazione è controllata dalla banca condensatore bipolare. I rivelatori di spin VLEED doppi permettono quindi di analizzare il vettore di polarizzazione di spin di fotoelettroni in tre dimensioni.

<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

L'obiettivo del presente protocollo è quello di presentare come eseguire spettroscopia di fotoemissione risolta di rotazione e angolo combinata con polarizzazione-variabile 7-eV laser (laser-SARPES) e dimostrare una potenza di questa tecnica per lo studio della fisica dello stato solido. Laser-SARPES realizza due grandi capacità. In primo luogo, esaminando la regola di selezione orbitale dei laser polarizzato linearmente, orbitale eccitazione selettiva può essere effettuata in SAPRES esperimento. In secondo luogo, la tecnica può mostrare informazioni complete di una variazione dell'asse di quantum di rotazione in funzione della polarizzazione della luce. Per dimostrare il potere della collaborazione di queste funzionalità in laser-SARPES, applichiamo questa tecnica per le indagini di Stati di spin-orbita accoppiato superficie di Bi2Se3. Questa tecnica permette di decomporre spin e orbitali componenti dalle funzioni d'onda di spin-orbita accoppiato. Inoltre, come un rappresentanza vantaggio di utilizzare il rilevamento diretto spin ha collaborato con il laser variabile di polarizzazione, la tecnica Visualizza senza ambiguità la dipendenza di polarizzazione della luce dell'asse di quantum di rotazione in tre dimensioni. Laser-SARPES aumenta drammaticamente una capacità della tecnica di fotoemissione.

Prima di iniziare gli esperimenti SARPES, k posizioni devono essere accuratamente determinato per aver risolta in spin spettro utilizzando alta statistica integrata spin ARPES risultati con energia - e angolare-risoluzioni elevate (protocollo 5.1-5.5). Come illustrato in Figura 7 dove vengono presentati i risultati ARPES per un Bi23 singolo cristallo di Se. Questo materiale è conosciuto come un prototipo isolante topologico con...

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

Qui, uniamo la polarizzazione-variabile 7-eV laser con tecnica di fotoemissione risolta di rotazione e angolo di visualizzare l'effetto di accoppiamento spin-orbitale in stati solidi.

Metodi sperimentali per la spettroscopia di fotoemissione risolta di Spin e angolo combinato con polarizzazione-variabile 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 ...

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Engineering

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