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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福島聡豊久中山雅に感謝我々 の石田慶樹が実験のセットアップ サポートしています。感謝する資金日本学術振興会 Grantin 援助から研究 (B) プロジェクト号 26287061 を通じての若手研究 (B) プロジェクト号経由 15 K 17675。この作品も (新学術領域「トポロジカル材料科学」許可第 16 H 00979) 日本の文部科学省と日本学術振興会科研費 (補助金第 16 H 02209) によって支持された

1. サンプル マウントとインストール
<ol><li>1 × 1 × 0.5 mm のおおよそのサイズに切断した Bi2Se313の単結晶試料試料ホルダーにサンプルを接着するエポキシをスライバー ベース3の使用。</li>
	<li>試料表面にセロハン テープを貼り付けます。 メモ: スコッチ テープは、超高真空 (UHV) アトミックきれいな表面を得るためにサンプルの切断に使用されま?...

<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>

角度分解光電子分光と SARPES 技術は、一般バンド マッピングとスピン検出1,2バンド電子構造を研究するために使用されています。上記これらの一般的な利点に加えてレーザー SARPES 光双極子励起の軌道選択ルールに基づくは波動関数と量子スピン干渉におけるスピン軌道結合効果を可視化する手法として用いることができます。.レーザーの偏光を?...

角度分解光電子分光 (ARPES) 法は固体状態1の準粒子バンド構造を調査する最も強力なツールの 1 つに開発しました。角度分解光電子分光の魅力的な機能のほとんどは、エネルギーと運動量空間での電子の状態を特徴付けるバンド マッピングの機能です。スピン分解 ARPES (SARPES)、ここで例えばスピン検出器を装備。モット検出器2,3はさらに、観測バンド構造4スピン性を解決することが出来ます。さらに 2 つモット検出器の組み合わせにより 3 つのディメンション4,5 のスピンの向きを取得する 1 つ、モット検出器は、2 つの軸 (xとz、またはyおよびz) とスピンを測定できる、ので.数十年、ただし、SARPES 実験被害がなかった彼らの低効率 (通常 1/10000 スピン統合角度分解光電子分光測定の比較)3,4,5,6 、7エネルギーや角解像度に限られていた。いわゆる非常に低エネルギー電子線回折 (VLEED) 検出器7,8,9交換散乱に基づく高効率スピン検出器を用いた SARPES のエネルギー分解能を増加している最近、 ,10。この器、データの品質が大幅に改善されているし、データ収集時間が短縮されています。最近では、SARPES は、スピン偏極電子状態とスピンのテクスチャ表面バンド7の結果特にスピン軌道結合効果に対処するため大きくしました。
ここでは、SARPES を用いて偏波可変真空紫外測定レーザー光 (レーザー-SARPES)、この複合技術の大きな利点を発揮します。Bi2Se3スピン軌道結合表面状態の調査を通してレーザー SARPES の 2 つの機能を提案する.まず、 s p- 双極子遷移領域における直線偏光レーザの軌道選択ルールのため-偏光が軌道対称性の異なる波動関数の固有の部分を選択的にエキサイトします。そのような軌道選択的励起はそれにより SARPES、すなわち、軌道選択的 SARPES で利用可能です。第二に、SARPES で 3次元 (3 D) スピン検出はスピン量子軸の方向を示し、直接偏光依存性の完全な情報が表示されます。このプロトコルでは、簡単に強力なスピン軌道結合効果を研究するこの最新のレーザー SARPES テクニックを実行する方法をについて説明します。
11東京大学物性研究所でレーザー SARPES システムがあります。レーザー様々 SAPRES マシンの図は図 1に示します。偏波可変 7 eV レーザー光12はサンプル表面を照らすし、サンプルから光電子が放出されます。レーザーの偏光は、MgF2- 基づく λ/2 - と波長板 λ/4 直線および円偏波を選択的に使用するによって自動的に制御されます。半球電子アナライザーは、光電子を修正し、運動エネルギー (E親族)、放出角度 (θxとθy) を分析します。光電子強度はEキン- CCD カメラによって監視されているθx画面にマップされます。この画像は、逆格子空間におけるエネルギー バンド構造に直接変換されます。
SARPES 測定の具体的な排出角度と電子アナライザーを用いて運動エネルギー光電子が 90 度光電子デフ付け 2 VLEED 型スピン検出器に導かれているし、光電子ビームは、2 つに焦点を当てています。fe (001)p(1 × 1) 薄膜の酸素によって終了の異なるターゲット。ターゲットによって反映される光電子は、各スピン検出器は、channeltron を使用して、単一チャンネル検出で検出されます。VLEED ターゲットは、互いに対して直交するジオメトリと整理されるヘルムホルツ型電気コイル磁化することができます。磁化の向きは、バイポーラ コンデンサー銀行によって制御されます。ダブル VLEED スピン検出器により、私たちは 3 つの次元での光電子スピン分極ベクトルを分析します。

<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

このプロトコルの目的は、スピン角度分解光電子分光偏光可変 7 eV レーザー (レーザー SARPES)、結合を実行する方法を示し、固体物理学の勉強法の力を発揮することです。レーザー SARPES は、2 つの偉大な機能を実現します。まず、直線偏光レーザの軌道選択ルールを調べれば、軌道選択的励起可能様々 SAPRES 実験。第二に、技術は、光の偏光の関数としてスピン量子軸の変化の完全な情報を表示できます。レーザー SARPES でこれらの機能のコラボレーションの力を示すためには、Bi2Se3スピン軌道結合表面状態の調査のためこのテクニックを適用されます。この手法を affords スピン軌道結合波動関数からスピン ・軌道部品を分解します。また、偏波可変レーザーと共同で直接スピンの検出を使用する代表的な利点、テクニックは明確に 3 つの次元のスピン量子軸の偏光依存性を視覚化します。SARPES レーザー光電子分光法の機能が大幅に増加します。

SARPES 実験を開始、する前にkの位置で高エネルギー、角-解像度 (プロトコル 5.1 5.5) 高統計スピン統合角度分解光電子分光の結果を使用してスピン分解スペクトルを取るため正確に決定する必要があります。これは Bi2Se3単結晶の角度分解光電子分光の結果が表示されます図 7で示されます。この材料は、表面状態のスピン偏...

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

ここでは、固体状態におけるスピン軌道結合効果を視覚化するスピン角度分解光電子分光法による偏波可変 7 eV レーザーを組み合わせています。

偏波可変レーザーと組み合わせてスピン角度分解光電子分光の実験法

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

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超低温での角度分解光電子分光

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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

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Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) ...

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感光性タンパク質中のプロトン移動とプロテイン立体配座ダイナミクスの時間分解ステップスキャンフーリエ変換赤外分光法により

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards ...

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新規材料の低温磁気伝導測定のための高度な実験方法

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

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Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in ...

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