[論文レビュー] Spin- and angle-resolved inverse photoemission setup with spin orientation independent from electron incidence angle

Abraham F. Campos, Philippe Duret+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 66被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、電子ビームの入射角とは完全に分離されたスピン極化を持つ低エネルギー電子源を備えた、新規なスピンおよび角度分解逆光電子効果（SPIPES）装置を提案する。シールド付き電子光学系を用いることで、ビームのスピン配向を三次元的に独立して制御可能となり、空状態のkおよびスピン分解能測定が可能となる。主な結果として、Au(111)表面状態のラシュバ分裂を30%の有効極化度と∆kF ≲ 0.06 Å⁻¹で解像し、運動量空間におけるスピン配向の完全な制御を実証した。

ABSTRACT

A new spin- and angle-resolved inverse photoemission setup with a low-energy electron source is presented. The spin-polarized electron source, with a compact design, can decouple the spin polarization vector from the electron beam propagation vector, allowing to explore any spin orientation at any wavevector in angle-resolved inverse photoemission. The beam polarization can be tuned to any preferred direction with a shielded electron optical system, preserving the parallel beam condition. We demonstrate the performances of the setup by measurements on Cu(001) and Au(111). We estimate at room temperature the energy resolution of the overall system to be $\sim170$ meV from $k_{B}T_{eff}$ of a Cu(001) Fermi level, allowing a direct comparison to photoemission. The spin-resolved operation of the setup has been demonstrated by measuring the Rashba splitting of the Au(111) Shockley surface state. The effective polarization of the electron beam is $P=30\pm3$ \% and the wavevector resolution is $\Delta k_{F}\lesssim0.06$ \AA$^{-1}$. Measurements on the Au(111) surface state demonstrate how the electron beam polarization direction can be tuned in the three spatial dimensions. The maximum of the spin asymmetry is reached when the electron beam polarization is aligned with the in-plane spin-polarization of the Au(111) surface state.

研究の動機と目的

• スピン極化が電子ビームの入射角に依存しない逆光電子効果用のスピン極化電子源の開発。
• 任意の電子状態をkおよびスピン分解能でプローブするため、三次元空間におけるスピン極化ベクトルの完全な制御の実現。
• 特にラシュバ分裂表面状態の研究に適したモデル系（Cu(001)およびAu(111)）を用いた装置の有効性の実証。
• 光電子効果手法と直接比較可能な高エネルギーおよび運動量分解能を達成すること。

提案手法

• ガリウム砒素（GaAs）光カソードを用いたコンactな低エネルギー電子源を用いて、スピン極化電子を生成する。
• シールド付き電子光学系により、スピン極化ベクトルをビーム伝搬方向から分離し、スピン配向を独立して調整可能にする。
• 等エネルギー（iso-chromat）モードで動作させ、固定された光子エネルギー（¯hω = 9.90 ± 0.15 eV）と可変な電子運動エネルギーを用いる。
• 光子検出にはGM検出器を用い、CaF₂およびAr-C₃H₆Oフィルタを組み合わせて狭帯域のエネルギー透過関数を定義する。
• 異なるk||値にアクセスするために、入射角を変化させながらも、スピン極化方向を一定に保つ。
• ターボポンプ、イオンポンプ、NEGポンプを用いて、2 × 10⁻¹⁰ mbarのベース圧力を達成し、安定した高真空環境を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン極化を電子ビームの入射角から分離し、k空間内の任意の波数に対して任意のスピン配向を実現できるか？
• RQ2 未占有状態を測定する際、SPIPESシステムの達成可能なエネルギー分解能はどの程度か？
• RQ3 有効スピン極化度および運動量分解能は、ビームパラメータおよびサンプル幾何学にどのように依存するか？
• RQ4 三次元的スピン極化制御が、ラシュバ型表面状態において実験的に証明可能か？
• RQ5 表面状態の平面内スピンテクスチャーと一致させるようにビーム極化を整えることで、スピン非対称性をどの程度まで最大化できるか？

主な発見

• 室温下でのSPIPESシステムのエネルギー分解能は、Cu(001)フェルミ準位の有効温度に基づき約170 meVと推定され、光電子効果と直接比較可能である。
• 電子ビームの有効極化度はP = 30 ± 3%として測定され、高いスピン極化忠実度が確認された。
• 運動量分解能は∆kF ≲ 0.06 Å⁻¹であり、表面状態のバンド構造の微細構造を解像するのに十分である。
• Au(111)表面状態の測定において、スピン非対称度は、電子ビームの極化がラシュバ分裂状態の平面内スピン極化と一致する際に最大値に達する。
• 本システムは、電子ビームのスピン極化の三次元的制御を成功裏に実証し、k||とは無関係にスピン極化Pを空間的全方向に独立して調整可能であることを示した。
• Au(111)ショックレー表面状態の測定により、ラシュバ分裂の存在が確認され、装置の完全なスピンチューニング性能が妥当性を確認された。