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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Agradecemos a Nakayama M., S. Toyohisa, r. Fukushima e Y. Ishida para oferece suporte para a instalação experimental. Reconhecemos, com gratidão, financiamento de JSPS Grantin-auxílio para pesquisa científica (B) através do projeto n. º 26287061 e para jovens cientistas (B) através do projeto n. º 15K 17675. Este trabalho também foi apoiado pelo MEXT do Japão (área inovadora "topológico ciência dos materiais," conceder n ° 16 H 00979) e JSPS KAKENHI (Grant no. 16 H 02209)

1. montagem e instalação da amostra
<ol><li>Cortar as amostras do único-cristal de Bi2Se313 em um tamanho aproximado de 1 × 1 × 0.5 mm3 e uso Fractius com base em epóxi para colar a amostra para o titular da amostra.</li>
	<li>Cole a fita adesiva sobre a superfície da amostra. Nota: A fita adesiva é usada para decompor a amostra na câmara de (UHV) vácuo ultra alta para obter uma superfície limpa atomicamente.</li>
	<li>Instalar a amostra para a amos...

<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>

Técnicas de ARPES e SARPES têm sido comumente utilizadas para estudar estruturas banda eletrônica através do mapeamento de banda e rotação-deteção1,2. Além dessas vantagens gerais mostradas acima, com base na regra de seleção orbital na excitação de dipolo óptica laser-SARPES podem ser empregadas como uma técnica nova para poder visualizar o efeito do acoplamento spin-orbital na interferência de rotação a função de onda e quântica . Conforme ...

Técnica de espectroscopia (ARPES) Fotoemissão ângulo-resolvido se tornou uma da mais poderosa ferramenta para investigar as estruturas de banda Quasipartícula em Estados sólidos1. A maioria de característica marcante da ARPES é a capacidade para mapeamento de banda caracterizar Estados eletrônicos no espaço energia e momentum. Resolvido por rotação ARPES (SARPES), que aqui é equipado com detectores de rotação, por exemplo. Mott detector2,3, ainda mais nos permite resolver o personagem de rotação da banda observadas estruturas4. Desde que o detector de Mott pode medir o spin com dois eixos (x e z, ou y e z), a combinação dos dois detectores Mott ainda permite obter a orientação de rotação em três dimensões4,5 . Há várias décadas, no entanto, as experiências SARPES foram sofria de sua baixa eficiência (tipicamente 1/10000 comparado para medição de ARPES rotação integrada)3,4,5,6 ,7, que limitou a energia e a resolução angular. Recentemente, a resolução de energia de SARPES foi aumentada com um detector de rotação de alta eficiência com base na dispersão de troca, o so-called muito-baixa energia elétron-difração (VLEED) detector7,8,9 ,10. Com este detector, foi significativamente melhorada a qualidade de dados e o tempo de aquisição de dados foi reduzido. Recentemente, a SARPES conseguiu grandemente para resolver Estados eletrônicos spin-polarizada e particularmente órbita acoplamento efeito resulta na textura da superfície bandas7rotação.
Aqui, nós empregamos SARPES medições com uma ultravioleta de vácuo de polarização variável (laser-SARPES) a luz do laser e demonstrar as grandes vantagens desta técnica combinada. Através da investigação sobre os Estados de superfície órbita acoplado em Bi2Se3, apresentamos dois recursos do laser-SARPES. Em primeiro lugar, devido a regra de seleção orbital de lasers polarizadas linearmente em regime de transição do dipolo, p- e s-luzes polarizadas excitam seletivamente uma parte de eigen-comprimentos com simetria orbital diferente. Tal uma excitação seletiva orbital é, assim, disponível em SARPES, ou seja, SARPES orbital-seletivo. Em segundo lugar, tridimensional (3D) rotação-deteção em SARPES mostra a direção do eixo de rotação quântica e diretamente exibe informações completas da dependência luz-polarização. Neste protocolo, descrevemos brevemente uma metodologia para realizar esta técnica de estado-da-arte do laser-SARPES para estudar os efeitos de acoplamento spin-órbita forte.
Nosso sistema de laser-SARPES situa-se o Instituto de física do estado sólido, a Universidade de Tóquio,11. O desenho esquemático de nossa máquina de laser-SAPRES é mostrado na Figura 1. A luz do laser de 7-eV de polarização variável12 ilumina a superfície da amostra e os photoelectrons são emitidos a partir da amostra. A polarização do laser é controlada automaticamente por MgF2- baseado de λ/2 - e λ/4-waveplates usar seletivamente polarizações lineares e circulares. Um analisador de elétrons hemisférica corrige os photoelectrons e analisa a sua energia cinética (Eparentes) e o ângulo de emissão (θx e θy). As intensidades de fotoelétron são mapeadas no Eparentes-θx tela monitorizada por uma câmera CCD. Esta imagem é diretamente transformada na estrutura de banda de energia no espaço recíproco.
Para medição de SARPES, os photoelectrons com um ângulo de emissão específicos e analisados pelo analisador do elétron de energia cinética são guiados para dois detectores de rotação VLEED-tipo com um defletor de fotoelétron de 90 graus e os feixes de fotoelétron concentram-se em dois diferentes alvos de Fe(001) -p(1 × 1) filmes denunciados por oxigênio. Os photoelectrons refletidas pelos alvos são detectados na deteção de canal único usando um channeltron colocado em cada detector de rotação. As metas VLEED podem ser magnetizadas com bobinas de Helmholtz-tipo elétricas que estão dispostas com geometria ortogonal em relação uns aos outros. A direção de magnetização é controlada pelo banco condensador bipolar. Os detectores de duplas rotação VLEED, assim, nos permitem analisar o vetor de rotação-polarização do fotoelétron em três dimensões.

<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

O objetivo do presente protocolo é apresentar como realizar rotação e ângulo-resolvido por espectroscopia de Fotoemissão combinada com polarização variável 7-eV laser (laser-SARPES), e demonstrar um poder dessa técnica para estudar a física do estado sólido. Laser-SARPES atinge dois grandes capacidades. Em primeiro lugar, examinando a regra de seleção orbital de lasers polarizadas linearmente, excitação seletiva orbital pode ser realizada no experimento SAPRES. Em segundo lugar, a técnica pode mostrar informações completas de uma variação do eixo de rotação quântica em função da polarização da luz. Para demonstrar o poder da colaboração destas capacidades em laser-SARPES, podemos aplicar esta técnica para as investigações de Estados de superfície órbita juntamente de Bi2Se3. Esta técnica permite decompor componentes de rotação e orbital de comprimentos a órbita acoplado. Além disso, como uma representante vantagem de usar a deteção de rotação direta colaborou com o laser de polarização variável, a técnica inequivocamente visualiza a dependência de polarização de luz do eixo de rotação quântica em três dimensões. Laser-SARPES aumenta drasticamente a capacidade da técnica de Fotoemissão.

Antes de iniciar as experiências SARPES, k posições precisam ser determinado com precisão para a tomada de espectro de rotação-resolvido usando resultados ARPES estatística alta rotação integrada com alta energia e angular-resolução (protocolo 5.1-5.5). Isso é demonstrado na Figura 7 , onde são apresentados os resultados ARPES para um Bi2cristal único de Se3 . Este material é conhecido como um isolador topológico...

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

Aqui, nós combinamos polarização variável 7-eV do laser com rotação e ângulo-resolvido por técnica de Fotoemissão para visualizar o efeito do acoplamento spin-orbital em Estados sólidos.

Métodos experimentais para a rotação e ângulo-resolvido por espectroscopia de Fotoemissão combinada com Laser de polarização-variável

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

Ângulo resolvido espectroscopia de fotoelétrons em ultra-baixas temperaturas

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

Engenharia

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

Quantum Estadual de Engenharia de Luz com onda contínua Optical Parametric osciladores

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

Induzida por laser Breakdown Spectroscopy: Uma Nova Abordagem para Mapeamento e Quantificação de nanopartículas em Organ Tissue

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

Transferência de prótons e Proteína Conformação Dynamics em fotossensíveis Proteínas por Time-resolvido Passo-scan-Fourier Transform Infrared Spectroscopy

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

Métodos experimentais avançados para baixa temperatura Magnetotransporte Medição de novos materiais

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

Baseado no SSVEP procedimento experimental para a interação cérebro-robô com robôs humanóides

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

Métodos experimentais para processos de resfriamento Elastocaloric Investigação de Memória de Forma baseada e Validação de Modelo

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

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope de Inspeção MEMS e Caracterização

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

Atuadores de luz de forma livre - Fabricação e Controle de atuação em escala microscópica

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

Localização de Defeitos Subsuperficiais por Aquecimento Estruturado usando a Termografia Fototérmica Projetada a Laser

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