基于深紫外激光的自旋分辨角分辨光电子能谱仪

材料的主要性质特别是各种新奇量子特性主要取决于材料内部微观电子结构,包括电子的能量、动量及自旋。角分辨光电子能谱利用光电效应,能够直接探测和分辨材料内电子的能量和动量,是研究材料电子结构的有力工具。角分辨光电子能谱在对低维材料中的量子阱态(Quantum Well States),电荷密度波(Charge Density Waves,CDW), 自旋密度波(Spin Density Waves,SDW)以及材料表面态等研究中,发挥了非常重要的作用。角分辨光电子能谱对于高温超导研究更是起到了极大的推进作用(A.Damascelli et al., Rev. Mod. Phys. 75 (2003))。

正是由于角分辨光电子能谱在凝聚态物理的各个重要领域的广泛应用,也反过来推动了角分辨光电子能谱技术本身的不断进步。其中深紫外激光在角分辨光电子能谱中的应用使得角分辨光电子能谱的能量分辨率已经达到好于1meV的水平(Guodong Liu et al., Rev. Sci. Instrum. 79, 023105(2008))。发展基于深紫外激光的同时具有自旋分辨和角分辨光电子能谱,则是另一个重要的技术进步。相比于普通角分辨光电子能谱,自旋分辨角分辨光电子能谱能够获得材料中电子的能量、动量信息之外的第三个重要信息:电子的自旋信息。因此自旋分辨角分辨光电子能谱对研究半金属铁磁材料(Half Metal),庞磁阻材料(Colossal Magnetoresistive, CMR),高温超导材料,Rashba效应都起着重要的作用。自旋分辨角分辨光电子能谱直接探测和研究新近发现的拓扑绝缘体独特自旋结构方面,更是作出了重要的贡献。


图一:基于深紫外激光的同时具有自旋分辨和角分辨光电子能谱仪照片

我们组研制成功的基于深紫外激光的同时具有自旋分辨和角分辨功能的光电子能谱仪,可以实现对描述电子状态需要的所有三个物理量(能量,动量和自旋)的完整测量。由于新的深紫外激光光源的使用,将极大地改进测量精度和效率,使得激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪成为国际上性能领先的系统,把自旋分辨光电子能谱技术提高到一个新的层次。 该系统具有如下独特优势:
(1).能量分辨率高;采用深紫外激光,激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪的能量分辨率由同步辐射目前最好的~100meV改进到2.5 meV, 是目前世界上能量分辨率最好的自旋分辨角分辨光电子能谱系统,对自旋分辨光电子能谱技术而言,这是一个质的飞跃;
(2). 利用两个可以同步测量的Mott探测器,实现自旋极化矢量的3D测量,可以完全确定自旋极化矢量的3个分量。
(3).使用VG-Scienta公司最新开发的DA30电子能量分析器,不仅可以同时进行角分辨和自旋分辨的测量,还可通过电子透镜的独特扫描功能,一次性获得具有自旋分辨的Fermi面(或处于不通结合能的等能面)数据,弥补了传统自旋分辨测量的一次只能测量动量空间中一个动量点数据的弱点。
(4).光束流强度强;由于深紫外激光的光束流强度比同步辐射可以提高2到3个量极,使得测量信号的强度和效率可以比目前最好的同步辐射系统提高2到3个量级。 这可以在实现自旋分辨功能的同时又不牺牲角分辨功能,而目前基于同步辐射的自旋分辨光电子能谱技术,由于信号弱,许多采用的是角积分技术;
(5). 极低温样品台:我们的系统除了使用和上述第一台系统同样的先进低温全自由度转角仪之外(6个运动自由度),还将同时拥有另一个极低温样品台,样品最低温度可以达到3K甚至更低;
(6).原位样品制备和表征系统。我们特别研制了一个样品制备系统,和自旋分辨光电子能谱系统连接, 既可以清洁一些基片或金属单晶样品的表面,也可以原位制备薄膜,还配备了LEED和STM可以对表面进行表征。


图二:自旋分辨角分辨光电子能谱性能。其中能量分辨率最好可以达到2.5meV,为世界上具有最高能量分辨率的自旋分辨角分辨光电子能谱系统。

我们这套激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪,由于能量、动量分辨率和测量效率等方面,都处于国际领先水平。