Name: experimental methods for spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable laser
Uploaded: 2018-06-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Watch this Scientific Journal Video about Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser at JoVE.com

אנו מודים פוקושימה א מ נאקיאמה, ס' Toyohisa, ותומך י' אישידה עבור לשלב המלכודת ניסיוני. אנו להכיר בהכרת תודה מימון מן JSPS Grantin-סיוע עבור מדעי למחקר (B) דרך פרויקט מס 26287061, עבור צעירים מדענים (B) דרך פרויקט מס 15K 17675. עבודה זו גם נתמך על ידי MEXT של יפן (אזור חדשני "טופולוגי הנדסת חומרים," מענק מס 16 H 00979) ו- JSPS KAKENHI (מענק מס 16 ח 02209)

1. לטעום הר והתקנה
<ol><li>חתך בודד-קריסטל דגימות של Bi2Se313 גודל משוער 1 × 1 × 0.5 מ מ3 ושימוש נכספת אפוקסי על בסיס להדביק את הדגימה כדי המחזיק לדוגמה.</li>
	<li>הדבק את הסלוטייפ על פני מדגם. הערה: הסלוטייפ משמש כדי לבקע את הדגימה בתא על קוליים ואקום (UHV) כדי להשיג על משטח נקי מאגרי.</li>
	<li>התקן את הדגימה המדגם מגזין בתוך המנעול עומס, להפעיל את המשאבה עד הלחץ של המנעול עומס נמוך מ 1 × 10-5 הפלסטינית.</li>
</ol>2. דגימה ביקוע
<ol><li>. פתח את הברז UHV בין המנעול עומס תא הכנה UHV</li>
	<li>להעביר את המגזין דגימה מן הסלע עומס לחדר הכנה באמצעות את הסדרה ליניארי/חוגה אשר מחובר אל התא מנעול עומס.</li>
	<li>לאסוף את הדגימה מדגם מגזין על ידי מוט העברה מצורף אל התא הכנה.</li>
	<li>להחזיר את הדגימה מגזין למנעול עומס, סגור את השסתום UHV.</li>
	<li>המתן עד הלחץ לשכת ההכנה מתחת × 10 5-7 הפלסטינית.</li>
	<li>לקלף את הסלוטייפ באמצעות מקל התנודדות בבית הבליעה הכנה, קליב הדגימה תחת התנאי UHV.</li>
</ol>3. מדגם העברה למיקום מדידה
<ol><li>להעביר את הדגימה אל התא מדידה UHV, ותקן את הדגימה כדי gonio-הבמה המרכזית על ידי מנהל ההתקן בורג מצויד לתא המדידה.</li>
	<li>העבר gonio-הבמה למצב מדידה ולהשתמש השלב מיקרומטר להעביר בדיוק את מיקום הדגימה אל המוקד של ספקטרומטר.</li>
</ol>4. 7eV-לייזר ההתקנה
<ol><li>להפעיל את הלייזר Nd:YVO4. הערה: הלייזר מייצר אור לייזר nm 355 עם שיעור החזרות גבוהים של 120 מגה-הרץ.</li>
	<li>פתח את התריס קרן לייזר, וודא כי הלייזר עוברת דרך הגביש KBBF, גל שנייה-הרמוני של 177 nm (6.994 eV) נוצר.</li>
	<li>למטב את עוצמת הלייזר 7eV על-ידי שינוי עוצמת הלייזר 355-nm עם מחליש המשתנה.</li>
</ol>5. ARPES קירור והקפאה
<ol><li>פתח את תוכנת שליטה מנתח במחשב שולחני. הערה: אנו משתמשים "SES תוכנה", שהינה תוכנית כללית עבור השליטה ScientaOmicron מנתח עם מטה הטיה אלקטרון.</li>
	<li>בחר Setup. להלן רצף בתפריט בר (איור 2, שלב i.2-1).</li>
	<li>לבחור תצורה ARPES (איור 3, שלב i.3-1) ומיפוי ARPES ברשימה (איור 3, שלב i.3-2) כדי לבצע מיפוי משטח פרמי עם מטה הטיה photoelectron.</li>
	<li>לחץ על עריכה (איור 3, שלב i.3-3) ולקבוע תצורה של מיפוי משטח פרמי ועד-12 ° ° 12 של פליטה זווית θ באמצעותy עם שלב בגודל של 0.5 ° (איור 3, שלב i.3-4). הערה: במנתח המיספרי עם מטה הטיה אלקטרונים מאפשרת לנו למפות את פני השטח פרמי ללא לסיבובים מדגם.</li>
	<li>לחץ על הפעל (איור 2, שלב i.2-3).</li>
</ol>6. SARPES קירור והקפאה
<ol><li>לשנות באופן ידני את תצורת מחשב למדידה SARPES כולל את מנתח בכניסה חריץ וגודל הצמצם (איור 1).</li>
	<li>בחר Setup. להלן רצף בתפריט בר (איור 2, שלב i.2-2).</li>
	<li>לבחור ספין תצורה (איור 4, שלב i.4-1) ו- Normal ברשימה (איור 4, שלב i.4-2) ולחץ על OK (איור 4, שלב i.4-3).</li>
	<li>בחר DA30 (איור 5, שלב i.5-1) על שורת התפריטים ועל תטא שליטה... (איור 5, שלב i.5-2) כדי לפתוח את הלוח הגדרה עבור תצורת זווית (θ באמצעותx, θ באמצעותy) DA30.</li>
	<li>לבחור את הזווית פליטה (θ באמצעותx, θ באמצעותy) = (-6 °, 0 °) לקחת SARPES ספקטרה (איור 5, שלב i.5-3).</li>
	<li>להחיל את השדה המגנטי על ידי שליטה לבנק מעבה דו-קוטבי מגנט את המטרה VLEED בכיוון חיובי לאורך הציר מסוים (α: x, yאו z). הערה: במערכת שלנו, תהליך זה יכול להיעשות באמצעות שורת הפקודה [איור 6 (א)].</li>
	<li>לחץ על הפעל את עוצמת ספקטרום (איור 2, שלב i.2-3).</li>
	<li>להחיל שדה מגנטי מגנט את המטרה VLEED בכיוון השלילי לאורך α ולהתחיל סריקה לקחת ספקטרום העוצמה.</li>
	<li>לחשב את הספין-קיטוב ספקטרום ספין-נפתרה.</li>
</ol>7. לסרוק את התלות קיטוב האור
<ol><li>לשנות את הזווית של λ/2-לוחית גל בדיוק נשלט על ידי המנוע דריכה לכוון את קיטוב האור 7 eV-לייזר. הערה: במערכת שלנו, תהליך זה יכול להיעשות באמצעות שורת הפקודה [איור 6 (ב')].</li>
	<li>קח ספקטרום נפתרה-ספין על צירי x, y ו- z .</li>
	<li>סרוק ספקטרום נפתרה-ספין כפונקציה של קיטוב האור עם משתנה הזווית חצי לוחית גל של 0° ל ° 102 צעד בגודל של 3°.</li>
</ol>

<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>

המחברים מצהירים כי יש להם אינטרסים כלכליים אין מתחרים.

ARPES טכניקות SARPES היו בשימוש נפוץ ללמוד פסים מבנים באמצעות מיפוי הלהקה לזיהוי ספין1,2. בנוסף ליתרונות הכלליים האלה המוצג לעיל, לייזר-SARPES מבוסס על כלל בחירה ההקפה בתוך עירור דיפול אופטי יכול להיות מועסק טכניקה הרומן להמחשת השפעת צימוד ספין-מסלולית ב ההפרעות ספי...

Photoemission נפתרה-זווית ספקטרוסקופיה (ARPES) הטכניקה התפתחה אחד הכלי החזק ביותר לחקור מבנים הלהקה quasiparticle הברית מוצק1. רוב תכונה אטרקטיבי של ARPES הוא היכולת למיפוי הלהקה לאפיין הברית אלקטרונית בחלל אנרגיה ותנע. ספין-נפתרה ARPES (SARPES), אשר מצויד פה ספין-גלאי, למשל. מוט גלאי2,3, עוד יותר מאפשר לנו לפתור את התו ספין של הלהקה שנצפה מבנים4. מאז הגלאי מוט יכול למדוד הספין עם שני צירים (x ו- z, או y ו- z), השילוב של מוט שני את גלאי נוסף מאפשר להשיג את כיוון הספין בתלת-מימד4,5 . במשך כמה עשורים, עם זאת, הניסויים SARPES היו סבלה היעילות שלהם נמוכה (בדרך כלל 1/10000 בהשוואה לזה למדידה ARPES משולבת ספין)3,4,5,6 ,7, אשר היה מוגבל האנרגיה ואת זוויתי-החלטות. לאחרונה, הרזולוציה האנרגיה של SARPES הוגדלה עם גלאי ספין יעילות גבוהה המבוססת על החלפת פיזור, מאוד-אנרגיה נמוכה כביכול אלקטרון-עקיפה (VLEED) גלאי7,8,9 ,10. עם זה גלאי, שופר משמעותית איכות הנתונים, קוצר הזמן רכישת נתונים. לאחרונה, SARPES הצליחה במידה רבה כדי לטפל מקוטב-ספין הברית אלקטרונית ו ספין-מסלול השפעה צימוד במיוחד וכתוצאה מכך המרקם ספין של להקות משטח7.
כאן, אנו מעסיקים SARPES ומדידות עם ואקום קיטוב משתנה על-סגול לייזר אור (לייזר-SARPES), להפגין את היתרונות הגדולים של טכניקה משולבת זו. דרך החקירה על הברית ספין-מסלול משולב משטח דו2Se3, אנו מציגים שתי היכולות של לייזר-SARPES. ראשית, בשל החוק בחירה ההקפה של לייזרים מקוטב לינארית דיפול המעבר למשטר, p- ו s-אור מקוטב באופן סלקטיבי לרגש חלק אופנים עצמיים-wavefunctions עם סימטריה מסלולית השונים. כזה עירור סלקטיבי מסלולית זמין ובכך SARPES, כלומר, אורביטל סלקטיבית SARPES. שנית, תלת מימדי (3D) ספין-זיהוי SARPES מראה את הכיוון של הציר קוונטית ספין, ישירות מציג מידע מלא של התלות קיטוב האור. ב פרוטוקול זה, נתאר בקצרה מתודולוגיה לביצוע טכניקה זו המדינה-of-the-art לייזר-SARPES לחקור את ההשפעות של צימוד ספין חזק-מסלול.
מערכת לייזר-SARPES שלנו ממוקם המכון לפיזיקה מצב מוצק, האוניברסיטה של טוקיו11. ציור סכמטי של מכונת לייזר-SAPRES שלנו מוצג באיור1. אור לייזר 7-eV משתנה-קיטוב12 מאירה השטח מדגם, photoelectrons נפלטים מן המדגם. קיטוב של לייזר נשלטת באופן אוטומטי על ידי MgF2- λ מבוסס/2 - ו λ/4-waveplates לשימוש באופן סלקטיבי polarizations ליניארית ועוד. מנתח אלקטרון המיספרי מתקנת את photoelectrons, ומנתח שלהם אנרגיה קינטית (E. קין) והזווית פליטה (θ באמצעותx וθ באמצעותy). עוצמות photoelectron ממופים על Eקין- מסךθ באמצעותx על-ידי מצלמת CCD. תמונה זו הוא הופך מיד אנרגיה מבנה בחלל הדדיים.
למדידה SARPES, photoelectrons עם זווית פליטה ספציפיים, אנרגיה קינטית נותחו על ידי במנתח אלקטרון מונחות על שני גלאים ספין מסוג VLEED עם מטה הטיה 90 מעלות photoelectron ואת הקורות photoelectron מתמקדים על שניים מטרות שונות של Fe(001) -p(1 × 1) סרטים על ידי חמצן. Photoelectrons בא לידי ביטוי במטרות מאותרים בזיהוי ערוץ אחד באמצעות channeltron להציב כל גלאי ספין. המטרות VLEED יכול להיות ממוגנט עם סלילים חשמליים מסוג הלמהולץ אשר מסודרים עם גאומטריה אורתוגונלית ביחס אחד לשני מגנוט בכיוון נשלטת על ידי הבנק מעבה הפרעה דו קוטבית. גלאי טווח VLEED כפול ובכך מאפשרים לנו לנתח את הוקטור ספין-קיטוב של photoelectron בשלושה ממדים.

<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

המטרה של פרוטוקול זה היא להציג כיצד לבצע ספין - ואת זווית-נפתרה ספקטרוסקופיה photoemission בשילוב עם לייזר 7-eV משתנה-קיטוב (לייזר-SARPES), להפגין כוח של טכניקה זו ללמוד פיסיקה של מצב מוצק. לייזר-SARPES משיגה שתי יכולות גבוהות מאוד. ראשית, על ידי בחינת כלל בחירה ההקפה של לייזרים מקוטב לינארית, עירור סלקטיבי מסלולית יכול להתבצע בניסוי SAPRES. שנית, בטכניקה יכול להציג מידע מלא של וריאציה של הציר קוונטית ספין כפונקציה של קיטוב האור. להפגין את הכוח של שיתוף פעולה של יכולות אלה בלייזר-SARPES, אנו מיישמים את הטכניקה הזו על החקירות של מדינות דו2Se3משטח ספין-מסלול משולב. טכניקה זו מאפשרת מתפרקת ספין ורכיבים מסלולית מ wavefunctions ספין-מסלול משולב. יתר על כן, כפי יתרון נציג של באמצעות זיהוי ספין ישירה שיתף פעולה עם הלייזר משתנה-קיטוב, הטכניקה מדמיין חד משמעית את התלות קיטוב האור של הציר קוונטית ספין בממד-שלוש. לייזר-SARPES מגדיל באופן דרמטי יכולת בטכניקת photoemission.

לפני תחילת הניסויים SARPES, עמדות k צריך להיקבע באופן מדויק עבור לוקחת ספקטרום ספין-נפתרה על-ידי שימוש סטטיסטי גבוה משולבת ספין ARPES תוצאות עם אנרגיה - ו זוויתי-ברזולוציות גבוהות (פרוטוקול 5.1-5.5). הוכח ב איור 7 שבו מוצגות התוצאות ARPES עבור Bi2Se3 גביש ...

Watch this Scientific Journal Video about Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser at JoVE.com

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

כאן, אנו משלבים משתנה-קיטוב 7-eV לייזר עם ספין - ואת זווית-נפתרה טכניקה photoemission כדי להמחיש את האפקט צימוד ספין-מסלולית במדינות מוצק.

שיטות נסיוניות עבור ספין - ואת זווית-נפתרה ספקטרוסקופיה Photoemission בשילוב עם לייזר משתנה-קיטוב

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser ...

experimental-methods-for-spin-angle-resolved-photoemission

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

9.8K Views.  University of Tokyo. כאן, אנו משלבים משתנה-קיטוב 7-eV לייזר עם ספין - ואת זווית-נפתרה טכניקה photoemission כדי להמחיש את האפקט צימוד ספין-מסלולית במדינות מוצק.

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

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

The physical properties of a material are defined by its electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;) and momentum (k) and the probability to find them in a particular state with given &omega; and k is described by the spectral function A(k, &omega;). This function can be directly measured in an experiment based on the well-known photoelectric effect, for the explanation of which Albert Einstein received the Nobel Prize back in 1921. In the photoelectric effect the light shone on a surface ejects electrons from the material. According to Einstein, energy conservation allows one to determine the energy of an electron inside the sample, provided the energy of the light photon and kinetic energy of the outgoing photoelectron are known. Momentum conservation makes it also possible to estimate k relating it to the momentum of the photoelectron by measuring the angle at which the photoelectron left the surface. The modern version of this technique is called Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) and exploits both conservation laws in order to determine the electronic structure, i.e. energy and momentum of electrons inside the solid. In order to resolve the details crucial for understanding the topical problems of condensed matter physics, three quantities need to be minimized: uncertainty* in photon energy, uncertainty in kinetic energy of photoelectrons and temperature of the sample.
In our approach we combine three recent achievements in the field of synchrotron radiation, surface science and cryogenics. We use synchrotron radiation with tunable photon energy contributing an uncertainty of the order of 1 meV, an electron energy analyzer which detects the kinetic energies with a precision of the order of 1 meV and a He3 cryostat which allows us to keep the temperature of the sample below 1 K. We discuss the exemplary results obtained on single crystals of Sr2RuO4 and some other materials. The electronic structure of this material can be determined with an unprecedented clarity.

The overall goal of this method is to determine the low-energy electronic structure of solids at ultra-low temperatures using Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy with synchrotron radiation.

Angle-resolved ספקטרוסקופיה Photoemission בטמפרטורות נמוכות במיוחד

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

Automation of Mode Locking in a Nonlinear Polarization Rotation Fiber Laser through Output Polarization Measurements

When a laser is mode-locked, it emits a train of ultra-short pulses at a repetition rate determined by the laser cavity length. This article outlines a new and inexpensive procedure to force mode locking in a pre-adjusted nonlinear polarization rotation fiber laser. This procedure is based on the detection of a sudden change in the output polarization state when mode locking occurs. This change is used to command the alignment of the intra-cavity polarization controller in order to find mode-locking conditions. More specifically, the value of the first Stokes parameter varies when the angle of the polarization controller is swept and, moreover, it undergoes an abrupt variation when the laser enters the mode-locked state. Monitoring this abrupt variation provides a practical easy-to-detect signal that can be used to command the alignment of the polarization controller and drive the laser towards mode locking. This monitoring is achieved by feeding a small portion of the signal to a polarization analyzer measuring the first Stokes parameter. A sudden change in the read out of this parameter from the analyzer will occur when the laser enters the mode-locked state. At this moment, the required angle of the polarization controller is kept fixed. The alignment is completed. This procedure provides an alternate way to existing automating procedures that use equipment such as an optical spectrum analyzer, an RF spectrum analyzer, a photodiode connected to an electronic pulse-counter or a nonlinear detecting scheme based on two-photon absorption or second harmonic generation. It is suitable for lasers mode locked by nonlinear polarization rotation. It is relatively easy to implement, it requires inexpensive means, especially at a wavelength of 1550 nm, and it lowers the production and operation costs incurred in comparison to the above-mentioned techniques.

A protocol to detect and automate mode locking in a pre-adjusted nonlinear polarization rotation fiber laser is presented. The detection of a sudden change in the output polarization state when mode locking occurs is used to command the alignment of an intra-cavity polarization controller in order to find mode-locking conditions.

אוטומציה של מצב נעילה בתוך לייזר סיב סיבוב קוי קיטוב באמצעות מדידות קיטוב פלט

When a laser is mode-locked, it emits a train of ultra-short pulses at a repetition rate determined by the laser cavity length. This article outlines a ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we demonstrate an optical spectroscopy method that is capable of resolving spectral features beyond that of the spin fine structure and homogeneous linewidth of single quantum dots (QDs) using a standard, easy-to-use spectrometer setup. This method incorporates both laser and photoluminescence spectroscopy, combining the advantage of laser line-width limited resolution with multi-channel photoluminescence detection. Such a scheme allows for considerable improvement of resolution over that of a common single-stage spectrometer. The method uses phonons to assist in the measurement of the photoluminescence of a single quantum dot after resonant excitation of its ground state transition. The phonon&#39;s energy difference allows one to separate and filter out the laser light exciting the quantum dot. An advantageous feature of this method is its straight forward integration into standard spectroscopy setups, which are accessible to most researchers.

The manuscript describes a method of phonon-assisted quasi-resonant fluorescence spectroscopy that incorporates both laser-limited resolution and photoluminescence (PL) spectroscopy. This method utilizes optical phonons to provide linewidth-limited resolution spectra of atom-like semiconductor structures in the energy domain. The method is also easily realized with a single spectrometer optical spectroscopy setup.

ספקטרוסקופיה פלואורסצנטי Quasi-תהודה רזולוציה גבוהה בסיוע Phonon

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb explosion imaging setup in which a hitherto-impractical camera angle is realized. In our imaging technique, diatomic molecules are irradiated with a circularly polarized strong laser pulse. The ejected atomic ions are accelerated perpendicularly to the laser propagation. The ions lying in the laser polarization plane are selected through the use of a mechanical slit and imaged with a high-throughput, 2-dimensional detector installed parallel to the polarization plane. Because a circularly polarized (isotropic) Coulomb exploding pulse is used, the observed angular distribution of the ejected ions directly corresponds to the squared rotational wave function at the time of the pulse irradiation. To create a real-time movie of molecular rotation, the present imaging technique is combined with a femtosecond pump-probe optical setup in which the pump pulses create unidirectionally rotating molecular ensembles. Due to the high image throughput of our detection system, the pump-probe experimental condition can be easily optimized by monitoring a real-time snapshot. As a result, the quality of the observed movie is sufficiently high for visualizing the detailed wave nature of motion. We also note that the present technique can be implemented in existing standard ion imaging setups, offering a new camera angle or viewpoint for the molecular systems without the need for extensive modification.

We present a protocol for creating a real-time movie of a molecular rotational wave packet using a high-resolution Coulomb explosion imaging setup.

הדמיה ישירה של סיבוב מולקולרי מהיר ליזר מונחה

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb ...

Chemistry

Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising from metallic periodic arrays without involving time-resolved techniques. We have formulated the rates by quantities that can be measured by simple optical measurements. The instrumentation based on angle- and polarization-resolved reflectivity and photoluminescence spectroscopy will be described in detail here. Our approach is intriguing due to its simplicity, which requires routine optics and several mechanical stages, and thus is highly affordable to most of the research laboratories.

This protocol describes the instrumentation for determining the excitation and coupling rates between light emitters and Bloch-like surface plasmon polaritons arising from periodic arrays.

הנחישות של עירור, צימוד המחירים בין פולטי אור פלזמון משטח Polaritons

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising ...

Photoelectron Imaging of Anions Illustrated by 310 Nm Detachment of F&#8722;

Anion photoelectron imaging is a very efficient method for the study of energy states of bound negative ions, neutral species and interactions of unbound electrons with neutral molecules/atoms. State-of-the-art in vacuo anion generation techniques allow application to a broad range of atomic, molecular, and cluster anion systems. These are separated and selected using time-of-flight mass spectrometry. Electrons are removed by linearly polarized photons (photo detachment) using table-top laser sources which provide ready access to excitation energies from the infra-red to the near ultraviolet. Detecting the photoelectrons with a velocity mapped imaging lens and position sensitive detector means that, in principle, every photoelectron reaches the detector and the detection efficiency is uniform for all kinetic energies. Photoelectron spectra extracted from the images via mathematical reconstruction using an inverse Abel transformation reveal details of the anion internal energy state distribution and the resultant neutral energy states. At low electron kinetic energy, typical resolution is sufficient to reveal energy level differences on the order of a few millielectron-volts, i.e., different vibrational levels for molecular species or spin-orbit splitting in atoms. Photoelectron angular distributions extracted from the inverse Abel transformation represent the signatures of the bound electron orbital, allowing more detailed probing of electronic structure. The spectra and angular distributions also encode details of the interactions between the outgoing electron and the residual neutral species subsequent to excitation. The technique is illustrated by the application to an atomic anion (F&#8722;), but it can also be applied to the measurement of molecular anion spectroscopy, the study of low lying anion resonances (as an alternative to scattering experiments) and femtosecond (fs) time resolved studies of the dynamic evolution of anions.

Here, we present a protocol for photoelectron imaging of anionic species. Anions generated in vacuo and separated by mass spectrometry are probed using velocity mapped photoelectron imaging, providing details of anion and neutral energy levels, anion and neutral structure and the nature of the anion electronic state.

Photoelectron הדמיה של אניונים מאויר על ידי ניתוק 310 ננומטר F−

Anion photoelectron imaging is a very efficient method for the study of energy states of bound negative ions, neutral species and interactions of unbound ...

A Photonic System for Generating Unconditional Polarization-Entangled Photons Based on Multiple Quantum Interference

We present a high-performance source of unconditional polarization-entangled photons that have a high-emission rate, a broadband distribution, are degenerated and postselection free. The property of the source is based on the multiple quantum interference effect with a round-trip configuration of a Sagnac interferometer. The quantum interference effects make it possible to use the high generation efficiency of the polarization-entangled photons to process parametric down-conversion, and separate degenerated photon pairs into different optical modes without a postselection requirement. The principle of the optical system was described and experimentally used to measure the fidelity and Bell parameters, and also to characterize the generated polarization-entangled photons from a minimum of six combinations of polarization correlated data. The experimentally obtained fidelity and Bell parameters exceeded the classical local correlation limit and are clear evidence of the generation of unconditional polarization-entangled photons.

We describe an optical system for the generation of unconditional polarization-entangled photons based on multiple quantum interference effects with a detection scheme to estimate the experimental fidelity of generated entangled photons.

מערכת Photonic ליצירת בפוטונים פוליריזציה מוחלטת המבוססת על הפרעות קוונטיות מרובות

We present a high-performance source of unconditional polarization-entangled photons that have a high-emission rate, a broadband distribution, are ...

Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by local enhancement of electric field intensity that strengthens light-matter interactions, enabling applications such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) and surface plasmon enhanced sensing. In the presence of magneto-optically active materials, the local field enhancement gives rise to anomalous magneto-optical activity. Typically, the confined modes of a given photonic crystal depend strongly on the wavelength and incidence angle of the incident electromagnetic radiation. Thus, spectral and angular-resolved measurements are needed to fully identify them as well as to establish their relationship with the magneto-optical activity of the crystal. In this article, we describe how to use a Fourier-plane (back focal plane) microscope to characterize magneto-optically active samples. As a model system, here we use a plasmonic grating built out of magneto-optically active Au/Co/Au multilayer. In the experiments, we apply a magnetic field on the grating in situ and measure its reciprocal space response, obtaining the magneto-optical response of the grating over a range of wavelengths and incident angles. This information enables us to build a complete map of the plasmonic band structure of the grating and the angle and wavelength dependent magneto-optical activity. These two images allow us to pinpoint the effect that the plasmon resonances have on the magneto-optical response of the grating. The relatively small magnitude of magneto-optical effects requires a careful treatment of the acquired optical signals. To this end, an image processing protocol for obtaining magneto-optical response from the acquired raw data is laid out.

Photonic band structure enables understanding how confined electromagnetic modes propagate within a photonic crystal. In photonic crystals that incorporate magnetic elements, such confined and resonant optical modes are accompanied by enhanced and modified magneto-optical activity. We describe a measurement procedure to extract the magneto-optical band structure by Fourier space microscopy.

מגנטו-אופטיים ומשולשים-אפיון של מבנים ננוטוני

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...

In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using 25Mg+ Fluorescence

Accurate control of the polarization states of laser light is important in precision measurement experiments. In experiments involving the use of a vacuum environment, the stress-induced birefringence effect of the vacuum windows will affect the polarization states of laser light inside the vacuum system, and it is very difficult to measure and optimize the polarization states of the laser light in situ. The purpose of this protocol is to demonstrate how to optimize the polarization states of the laser light based on the fluorescence of ions in the vacuum system, and how to calculate the birefringence of vacuum windows based on azimuthal angles of external wave plates with Mueller matrix. The fluorescence of 25Mg+ ions induced by laser light that is resonant with the transition of |32P3/2,F = 4, mF&#160;= 4<img align="center" alt="Equation 100" src="/files/ftp_upload/61175/61175img1.jpg" style="color: rgb(68, 0, 68); font-size: 18px; font-weight: 700;" />&#160;&#8594;&#160;|32S1/2,F = 3, mF&#160;= 3<img align="center" alt="Equation 100" src="/files/ftp_upload/61175/61175img1.jpg" style="color: rgb(68, 0, 68); font-size: 18px; font-weight: 700;" />&#160;is sensitive to the polarization state of the laser light, and maximum fluorescence will be observed with pure circularly polarized light. A combination of half-wave plate (HWP) and quarter-wave plate (QWP) can achieve arbitrary phase retardation and is used for compensating the birefringence of the vacuum window. In this experiment, the polarization state of the laser light is optimized based on the fluorescence of 25Mg+ ion with a pair of HWP and QWP outside the vacuum chamber. By adjusting the azimuthal angles of the HWP and QWP to obtain maximum ion fluorescence, one can obtain a pure circularly polarized light inside the vacuum chamber. With the information on the azimuthal angles of the external HWP and QWP, the birefringence of the vacuum window can be determined.

In Situ Measurement of Vacuum Window Birefringence using 25Mg+ Fluorescence

Presented here is a method to measure the birefringence of vacuum windows by maximizing the fluorescence counts emitted by Doppler cooled 25Mg+ ions in an ion trap. The birefringence of vacuum windows will change the polarization states of the laser, which can be compensated by changing the azimuthal angles of external wave plates.

במדידה סיטו של חלון ואקום Birefringence באמצעות 25מ ג+ פלואורסץ

Accurate control of the polarization states of laser light is important in precision measurement experiments. In experiments involving the use of a vacuum ...

אפיון ספרוליטים במיקרוסקופ דו-פוטוני רגיש לקיטוב

Polarization-Sensitive Two-Photon Microscopy for a Label-Free Amyloid Structural Characterization

Compared to its one-photon counterpart, two-photon excitation is beneficial for bioimaging experiments because of its lower phototoxicity, deeper tissue penetration, efficient operation in densely packed systems, and reduced angular photoselection of fluorophores. Thus, the introduction of polarization analysis in two-photon fluorescence microscopy (2PFM) provides a more precise determination of molecular organization in a sample compared to standard imaging methods based on linear optical processes. In this work, we focus on polarization-sensitive 2PFM (ps-2PFM) and its application in the determination of molecular ordering within complex bio-structures-amyloid spherulites. Neurodegenerative diseases such as Alzheimer's or Parkinson's are often diagnosed through the detection of amyloids-protein aggregates formed due to an impaired protein misfolding process. Exploring their structure leads to a better understanding of their creation pathway and consequently, to developing more sensitive diagnostic methods. This paper presents the ps-2PFM adapted for the determination of local fibril ordering inside the bovine insulin spherulites and spherical amyloidogenic protein aggregates. Moreover, we prove that the proposed technique can resolve the three-dimensional organization of fibrils inside the spherulite.

מחבר זרקור: הדמיה לא פולשנית של מבנים ביולוגיים מורכבים באמצעות מיקרוסקופ שני פוטונים רגיש לקיטוב 

This paper describes how polarization-sensitive two-photon microscopy could be applied to characterize the local organization within label-free amyloid superstructures-spherulites. It also describes how to prepare and measure the sample, assemble the required setup, and analyze the data to obtain information about the local organization of amyloid fibrils.

מיקרוסקופ שני פוטונים רגיש לקיטוב לאפיון מבני עמילואיד ללא תוויות

Compared to its one-photon counterpart, two-photon excitation is beneficial for bioimaging experiments because of its lower phototoxicity, deeper tissue ...

שיטות נסיוניות עבור ספין - ואת זווית-נפתרה ספקטרוסקופיה Photoemission בשילוב עם לייזר משתנה-קיטוב

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video