Экспериментальные методы для спина и угол решены фотоэлектронная спектроскопия, в сочетании с переменной поляризации лазерного

Спиновая и угловая фотоэмиссионная спектроскопия, так называемая SARPES, является мощным методом исследования электронных структур твердого тела, включая их спиновую информацию. В нашем методе мы объединили этот метод с лазером 7 эВ с переменной поляризационной способностью, что позволило нам очень точно определить спиновые структуры электронов. SARPES обычно выполнялся с помощью синхротронного излучения или лампы с инертным газом.

По сравнению с этим методом, использование лазера с переменной поляризацией 7 эВ является большим улучшением. Поляризацией лазерного луча можно легко управлять с помощью волновой пластины. Используя это свойство, мы можем полностью проследить поведение спина электрона, который чувствителен к поляризации света.

Спиновая реакция фотоэлектронов зависит от поляризации света. И это показывает множество физических значений, таких как спин-орбитальная связь и спин-интерференция. По этой причине наша методика может быть постепенно использована для изучения физики конденсированных сред.

Для начала вырежьте монокристаллические образцы селенида висмута и используйте эпоксидную смолу на основе серебра, чтобы приклеить их к держателю для образцов. Как только эпоксидная смола застынет, нанесите кусок скотча на поверхность образцов. Затем перенесите магазин образцов в загрузочный шлюз сверхвысокого вакуума и запускайте насос до тех пор, пока давление загрузочного замка не станет ниже одного умноженного на десять до отрицательных пяти паскалей.

Затем откройте клапан сверхвысокого вакуума между загрузочным замком и камерой подготовки и переместите магазин образцов из загрузочного замка в камеру подготовки с помощью проходного механизма, прикрепленного к загрузочной камере. Теперь с помощью передаточного стержня заберите образец из магазина для образцов, а затем поместите магазин для образцов обратно в загрузочный замок и закройте клапан сверхвысокого вакуума. Дождитесь, пока давление в подготовительной камере опустится ниже пяти умно-десяти на отрицательные семь паскалей, а затем снимите скотч с поверхности селенида висмута с помощью качающейся палочки в подготовительной камере.

При этом образец будет расщепляться, получая атомарно чистую поверхность. Перенесите образец в измерительную камеру сверхвысокого напряжения. Там с помощью отвертки закрепите образец на основном гониоступе.

Затем переместите предметный столик в положение измерения и с помощью микрометрического столика точно расположите образец в фокусе спектрометра. Затем включите легированный неодимом лазер на ортованадате иттрия и дайте ему нагреться в течение 10-15 минут. Откройте затвор лазерного луча и убедитесь, что лазер проходит через кристалл фторбората калия и бериллия, чтобы создать волну второй гармоники размером 177 нанометров.

Оптимизируйте мощность семиэлектронвольтного лазера, изменяя мощность 355-нанометрового лазера с помощью переменного аттенюатора. Сначала откройте программное обеспечение для управления анализатором. В меню последовательности выберите «Настройка», а затем выберите «Конфигурация ARPES» и «Отображение ARPES» в списке, чтобы выполнить картирование поверхности Ферми с помощью фотоэлектронного дефлектора.

Нажмите кнопку "Редактировать" и настройте отображение поверхности Ферми таким образом, чтобы угол излучения находился в диапазоне от 12 до 12 градусов с размером шага 0,5 градуса и 49 для количества шагов. После настройки вернитесь в меню последовательности и выберите «Выполнить». Полусферический анализатор оснащен электронным дефлектором, который позволяет отображать поверхность Ферми без вращения образца.

Вручную измените настройку аппарата для измерения спиновой и угловой фотоэмиссионной спектроскопии. Это включает в себя изменение как входной щели анализатора, так и размера апертуры. В программном обеспечении выберите «Настройка» и выберите «Конфигурация вращения», «Нормальный» из списка опций и нажмите «ОК».

Затем выберите DA30 в строке меню и перейдите к элементу управления theta. Откроется панель настроек для настройки угла DA30. На панели выберите угол излучения, чтобы тета x была отрицательной на шесть градусов, а для тета y — ноль градусов.

Затем используйте командную строку для приложения магнитного поля, управляя биполярным конденсаторным блоком. Это приведет к намагничиванию цели v-образного провода в направлении положения по оси x, y или z. После настройки нажмите на кнопку «Выполнить», чтобы получить спектр интенсивности.

Затем примените магнитное поле, чтобы намагничить мишень с v-образным отведением в отрицательном направлении вдоль оси, и запустите сканирование, чтобы получить другой спектр интенсивности. Когда закончите, рассчитайте спиновую поляризацию и спектры со спиновым разрешением. С помощью командной строки включите шаговый двигатель для точного изменения угла полуволновой пластины, чтобы настроить поляризацию света семиэлектронвольтного лазера.

Затем возьмите спектры со спиновым разрешением для каждой из осей x, y и z. Сканируйте спектры со спиновым разрешением в зависимости от поляризации света, изменяя при этом угол полуволновой пластины от нуля градусов до 102 градусов с шагом в три градуса. Селенид висмута представляет собой прототип топологического изолятора со спин-поляризованными поверхностными состояниями.

Полученная карта поверхности Ферми поверхностного состояния в селениде висмута, показывает почти обведенную форму. Затем выполните наложение полос вдоль линии высокой симметрии. Он показывает Х-образную дисперсию энергии, так называемый конус Дирака.

Исходя из этих результатов, теперь можно выбрать конкретный угол излучения для эксперимента SARPES. Когда тета x равна отрицательным шести градусам, а тета y равна нулю градусов через отрицательную kF поверхностной зоны, кривые распределения энергии для различных направлений намагниченности достигают пика интенсивности вблизи энергии Ферми. Интенсивности в двух спектрах различаются вблизи пика.

Исходя из разницы между их интенсивностями, можно вычислить спиновую поляризацию как функцию от энергии и спектров со спиновым разрешением. По-видимому, спектр восходящего спина имеет пиковую структуру, но спектры нисходящего спина относительно плоские. Это отражает почти 100% спин-поляризацию.

При проведении одного и того же измерения для другой оси и с разной поляризацией света хорошо видно направление спина электронов и его зависимость от поляризации. Для p-поляризации данные ясно показывают положительную 100%-ную спиновую поляризацию только вдоль y, а в направлениях x и z спин-поляризация отсутствует. Интересно, что при переключении поляризации света с p на s знак спиновой поляризации также меняется на отрицательный 100% для s-поляризации без x и z спиновой составляющей.

Как следствие полной спиновой информации, спиновое вращение электрона полностью распутывается в трех измерениях. Мы продемонстрировали способность SARPES, с лазером с переменной поляризацией, для перехода в спин-поляризованное состояние селенида висмута. Это позволяет нам напрямую визуализировать спин электрона и его вариации в зависимости от поляризаций света.

Эта методика может быть легко применена ко многим другим физическим системам. Наш эксперимент показывает, что даже небольшие изменения в световых полях действительно могут изменить спин фотоэлектронов в трех измерениях. Очень важно, как будет освещен образец.

Чтобы правильно понимать данные, нужно заботиться об экспериментальной геометрии.