[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文提出了一种新型自旋和角度分辨逆光电子能谱（SPIPES）装置，采用低能电子源，其自旋极化完全解耦于电子束入射角。通过使用屏蔽电子光学系统，电子束的自旋取向可在三维空间中独立调节，从而实现对未占据电子态的k和自旋分辨测量。关键成果是成功分辨出Au(111)表面态的Rashba分裂，有效极化度达30%，且∆kF ≲ 0.06 Å⁻¹，证实了在动量空间中对自旋取向的完全控制。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于逆光电子能谱的自旋极化电子源，使自旋极化独立于电子束入射角。
• 实现对三维空间中自旋极化矢量的完全控制，以实现对任意电子态的k和自旋分辨探测。
• 在模型体系（如Cu(001)和Au(111)）上展示该装置的能力，尤其针对Rashba分裂表面态的研究。
• 实现直接与光电子能谱技术比较所必需的高能量和动量分辨率。

提出的方法

• 使用基于GaAs光阴极的紧凑型低能电子源，生成自旋极化的电子。
• 采用屏蔽电子光学系统，将自旋极化矢量与束流传播方向解耦，实现自旋取向的独立调节。
• 系统在等能图模式下运行，固定光子能量（¯hω = 9.90 ± 0.15 eV），电子动能可调。
• 使用GM探测器配合CaF₂和Ar-C₃H₆O滤光片，实现窄带宽能量选择的光子探测。
• 改变电子束入射角以获取不同的k||值，同时保持自旋极化方向恒定。
• 系统通过涡轮泵、离子泵和NEG泵实现基底压力2 × 10⁻¹⁰ mbar，确保稳定运行的高真空环境。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋极化能否与电子束入射角解耦，从而实现在k空间任意波矢处的任意自旋取向？
• RQ2 在测量未占据态时，SPIPES系统的可实现能量分辨率是多少？
• RQ3 有效自旋极化度和动量分辨率如何依赖于束流参数和样品几何结构？
• RQ4 能否在Rashba型表面态上实验验证电子束自旋极化的三维控制？
• RQ5 通过将束流极化方向与表面态的面内自旋纹理对齐，自旋不对称性在多大程度上可被最大化？

主要发现

• 基于Cu(001)费米能级的有效温度估算，SPIPES系统的能量分辨率约为170 meV（室温下），可与光电子能谱实现直接比较。
• 电子束的有效极化度测量为P = 30 ± 3%，证实了高保真度的自旋极化。
• 动量分辨率∆kF ≲ 0.06 Å⁻¹，足以分辨表面态能带结构的精细细节。
• 在Au(111)表面态测量中，当电子束极化方向与Rashba分裂态的面内自旋极化方向一致时，自旋不对称性达到最大值。
• 该系统成功实现了对电子束自旋极化的三维控制，可独立调节P在所有空间方向上的取向，且与k||无关。
• 对Au(111)Shockley表面态的测量结果证实了Rashba分裂的存在，并验证了装置的完整自旋可调性。