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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M. 나카야마, S. Toyohisa, A. 후쿠시마 감사 하 고 대 한 영 이시다 실험적인 체제를 지원 합니다. 우리는 기꺼이 자금 JSP Grantin-원조에서 프로젝트 번호 26287061를 통해 과학적 연구 (B)를 위한 대 한 젊은 과학자 (B) 프로젝트 번호를 통해 인정 15 K 17675. 이 작품 또한 일본의 문 부 과학성 (혁신적인 지역 "토폴로지 재료 과학," 부여 번호 16 H 00979) 및 JSP KAKENHI (보조금 번호 16 H 02209)에 의해 지원 되었다

1. 샘플 마운트 및 설치
<ol><li>1 × 1 × 0.5 m m의 대략적인 크기에 Bi2Se313 의 단일 크리스탈 샘플을 잘라 샘플 홀더를 샘플을 접착제로,3 , 사용 은색 기반 에폭시.</li>
	<li>샘플 표면에 스카치 테이프를 붙여 넣습니다. 참고: 스카치 테이프는 원자적 깨끗 한 표면을 얻기 위해 초고 진공 (UHV) 챔버에 샘플을 쪼개 사용 됩니다.</li>
	<li>로드 잠금에 잡지 샘플으...

<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 및 SARPES 기술 전자 밴드 구조 스핀-검색1,2및 밴드 매핑을 통해 공부에 대 한 일반적으로 사용 되었습니다. 이러한 일반적인 장점 위에 표시 된, 뿐만 아니라 레이저-SARPES 광 쌍 극 자 여기에 궤도 선택 규칙에 따라 시각화 하는 wavefunction 및 양자 스핀 간섭에 스핀-궤도 결합 효과 대 한 새로운 기술로 채택 될 수 있다 . 레이저의 편광 waveplates p-...

고체 상태1에 quasiparticle 밴드 구조를 조사 하는 가장 강력한 도구 중 하나에 각도 해결 광전자 방출 분광학 (ARPES) 기술을 개발 했다. ARPES의 매력적인 특징의 대부분은 에너지와 운동량 공간에서 전자 상태 특성 밴드 매핑 위한 기능입니다. 스핀 해결 ARPES (SARPES), 여기 스핀-감지기, 예를 갖추고 있습니다. 더 모트 탐지기2,3, 관찰된 밴드 구조4의 스핀 문자를 해결 하기 위해 수 있습니다. 모트 검출기는 두 개의 축 (x 와 z또는 y 및 z)와 스핀을 측정할 수 있습니다., 더 두 모트 감지기의 조합을 하나의 3 차원4,5의 스핀 방향을 얻을 수 있습니다. . 그러나 십년 동안,, SARPES 실험은 그들의 낮은 효율 (일반적으로 1/10000 스핀 통합 ARPES 측정에 비해)에서 고통을 했다3,,45,6 ,7, 에너지와 각도 해상도 제한 했다. 최근, SARPES의 에너지 분해능 exchange 산란, 소위 매우 낮은 에너지 전자 회절 (VLEED) 검출기7,8,9에 따라 높은 효율적인 회전 검출기로 증가 되었습니다. ,10. 이 검출기, 데이터 품질을 크게 향상 되었습니다와 데이터 수집 시간이 단축 되었습니다. 최근, SARPES 스핀 편광 전자 상태 및 특히 스핀-궤도 결합 효과 표면 밴드7의 회전 질감에 결과 해결 하기 위해 크게 성공 했습니다.
여기, 우리 SARPES 고용 양극 화 변수 진공 자외선 측정 레이저 광 (레이저-SARPES)와 입증이 결합 된 기술의 큰 장점. Bi2Se3스핀-궤도 결합 표면 상태에 조사를 통해 우리는 레이저 SARPES의 두 가지 기능을 제시. 첫째, 쌍 극 자 전이 정권, p-, s에 선형 편광 된 레이저의 궤도 선택 규칙 때문-편광된 빛 선택적으로 다른 궤도 대칭 아이겐 wavefunctions의 부분을 자극. 이러한 궤도 선택적 여기는 그로 인하여 SARPES, 즉, 궤도 선택적 SARPES. 둘째, SARPES에서 3 차원 (3D) 스핀-탐지 스핀 양자 축 방향을 표시 하 고 직접 빛 분극 의존의 전체 정보를 표시 합니다. 이 프로토콜에 우리는 잠시이 최신의 레이저-SARPES 기술을 강한 스핀-궤도 결합 효과 연구를 수행 하는 방법을 설명 합니다.
우리의 레이저-SARPES 시스템은 고체 상태 물리학, 도쿄 대학11을 위한 연구소. 우리의 레이저 SAPRES 기계의 도식 적인 그림은 그림 1에 표시 됩니다. 분극 변수 7 eV 레이저 빛12 샘플 표면 조명 하 고는 photoelectrons 샘플에서 방출 된다. 레이저의 편광 자동으로 MgF2-기반으로 λ/2-와 λ/4-waveplates 선택 사용 하 여 선형 및 원형 분극에 의해 제어 됩니다. 반구형 전자 분석기는 photoelectrons를 해결 하 고 그들의 운동 에너지 (E친척) 및 방출 각도 (θx θy)을 분석 합니다. 광전자 농도 E킨-CCD 카메라에 의해 감시 하는θx 화면에 매핑됩니다. 이 이미지 직접 상호 공간에서 에너지 밴드 구조에 변형 된다.
SARPES 측정을 위해 특정 방출 각도와 운동 에너지는 전자 분석기에 의해 분석 photoelectrons 90도 광전자 디플렉터와 두 개의 VLEED 형 스핀 감지기를 유도 하 고 광전자 빔 2에 초점을 맞추고 있다 Fe(001)-p(1 × 1) 영화 산소에 의해 종료의 다른 목표 대상에 의해 반영 photoelectrons 각 회전 검출기에 배치 하는 channeltron를 사용 하 여 단일 채널 검색에서 검색 됩니다. VLEED 목표는 서로 관하여 직각 형상으로 배열 되는 헬름홀츠 형 전기 코일으로 자성 수 있습니다. 자화 방향 바이 폴라 콘덴서 뱅크에 의해 제어 됩니다. 이중 VLEED 회전 검출기 함으로써 3 차원에 광전자의 스핀 분극 벡터 분석을 사용 합니다.

<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

이 프로토콜의 목표 회전 및 각도 해결 광전자 방출 분광학 분극 변수 7 eV 레이저 (레이저-SARPES)와 함께 수행 하는 방법을 제시 하 고 고체 물리학을 공부에 대 한이 기술의 힘을 보여주는 것입니다. 레이저 SARPES는 두 개의 큰 기능을 달성 한다. 첫째, 선형 편광 된 레이저의 궤도 선택 규칙을 검사 하 여 궤도 선택적 여기 수 실시 SAPRES 실험. 둘째, 기술은 빛 분극의 기능으로 스핀 양자 축 변형의 전체 정보를 표시할 수 있습니다. 레이저 SARPES에서 이러한 기능의 협업의 힘을 보여, 우리는 Bi2Se3의 표면 상태를 스핀-궤도 결합의 수사를 위해이 기술을 적용. 이 기술은 스핀-궤도 결합 wavefunctions에서 스핀과 궤도 구성 요소 분해을 준다. 또한, 직접 스핀 탐지를 사용 하 여의 대표적인 장점은 편광 변수 레이저와 함께 collaborated, 기술은 스핀 양자 축 3 차원에서의 빛 분극 의존 명확 하 게 시각화. 레이저 SARPES는 극적으로 광전자 방출 기술의 능력을 증가 시킵니다.

SARPES 실험을 시작 하기 전에 k 위치 높은 통계 스핀 통합 ARPES 결과와 높은 에너지-각도-해상도 (프로토콜 5.1-5.5)을 사용 하 여 스핀 해결 스펙트럼을 주셔서 정확 하 게 결정 해야 합니다. 이 Bi2Se3 단 결정에 대 한 ARPES 결과 제시는 그림 7 에서 설명 했다. 이 소재는 표면 상태 스핀 편광14,15...

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

여기, 우리 기술로 회전 및 각도 해결 광전자 방출 고체 상태에서 스핀-궤도 결합 효과 시각화 하 분극 변수 7 eV 레이저를 결합 한다.

분극 변수 레이저와 함께 회전 및 각도 해결 광전자 방출 분광학 실험 방법

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

울트라 낮은 온도에서 각도 - 해결 Photoemission 분광법

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

연구

공학

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

연속파 광 파라 메트릭 발진기와 빛의 양자 상태 공학

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle's Mapping and Quantification in Organ Tissue

레이저 유도 내역 분광학 : 장기 조직에 나노 입자의 매핑 및 정량을위한 새로운 접근

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

Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy

에 의해 감광성​​ 단백질의 양성자 이동과 단백질 입체 구조 역학 시간 분해 적외선 분광학에게 푸리에 변환 단계 - 스캔

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

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

소설 재료의 저온 Magnetotransport 측정을위한 고급 실험 방법

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

SSVEP-based Experimental Procedure for Brain-Robot Interaction with Humanoid Robots

인간형 로봇에 뇌 - 로봇 상호 작용에 대한 실험 절차를 SSVEP 기반

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

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

형상 기억의 조사를 기반으로 Elastocaloric 냉각 프로세스 및 모델 검증을위한 실험 방법

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

MEMS 검사 및 특성화를위한 소형 렌즈가없는 디지털 홀로그램 현미경

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

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

자유 형식 등 엑츄에이터 - 현미경 규모의 제조 및 개폐 제어

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

레이저 조사 형 광열 열 분석을 이용한 구조 가열에 의한 지층 결함 국산화

The presented method is used to locate subsurface defects oriented perpendicularly to the surface. To achieve this, we create destructively interfering ...