Laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy
લેસર-આધારિત કોણ-ઉકેલાયેલ ફોટોમિશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી એ કોણ-ઉકેલાયેલ ફોટોમિશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીનું એક સ્વરૂપ છે જે પ્રકાશ સ્રોત તરીકે લેસરનો ઉપયોગ કરે છે. ફોટોમિશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી એ સપાટીના ભૌતિકશાસ્ત્રનો અભ્યાસ કરવા માટેની એક શક્તિશાળી અને સંવેદનશીલ પ્રાયોગિક તકનીક છે. તે મૂળરૂપે 1887 માં હેઇનરિચ હર્ટ્ઝ દ્વારા અવલોકન કરાયેલ ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર પર આધારિત છે અને બાદમાં 1905 માં આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈન દ્વારા સમજાવવામાં આવ્યું હતું કે જ્યારે કોઈ સામગ્રી પ્રકાશ દ્વારા ચમકતી હોય છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન ફોટોનને શોષી શકે છે અને ગતિ ઊર્જા સાથે સામગ્રીમાંથી છટકી શકે છેઃ, જ્યાં ઘટના ફોટોન ઊર્જા છે, જે સામગ્રીનું કાર્ય કાર્ય છે. બહાર નીકળેલા ઇલેક્ટ્રોનની ગતિ ઊર્જા આંતરિક ઇલેક્ટ્રોનિક માળખા સાથે ખૂબ સંકળાયેલી હોવાથી, ફોટોઇલેક્ટ્રોન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીનું વિશ્લેષણ કરીને વ્યક્તિ સામગ્રીના મૂળભૂત ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મોને અનુભવી શકે છે, જેમ કે સ્થાનિક બંધનનો પ્રકાર અને ગોઠવણી, ઇલેક્ટ્રોનિક માળખું અને રાસાયણિક રચના. વધુમાં, કારણ કે વિવિધ વેગ ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોન નમૂનામાંથી જુદી જુદી દિશામાં છટકી જશે, કોણ-ઉકેલાયેલા ફોટોમિશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીનો વ્યાપકપણે વિખેરાયેલા ઊર્જા-વેગ વર્ણપટ પ્રદાન કરવા માટે ઉપયોગ થાય છે. ફોટોમિશન પ્રયોગ 20-100 eV ની લાક્ષણિક ફોટોન ઊર્જા સાથે સિંક્રોટ્રોન કિરણોત્સર્ગ પ્રકાશ સ્રોતનો ઉપયોગ કરીને હાથ ધરવામાં આવે છે. સિંક્રોટ્રોન પ્રકાશ દ્વિ-પરિમાણીય સપાટી પ્રણાલીઓની તપાસ માટે આદર્શ છે અને ઘટના ફોટોન ઊર્જાને સતત બદલવા માટે અપ્રતિમ સુગમતા પ્રદાન કરે છે. જો કે, આ પ્રવેગકના નિર્માણ અને જાળવણી માટેના ઊંચા ખર્ચ, બીમ સમય માટે ઉચ્ચ સ્પર્ધા, તેમજ સાર્વત્રિક લઘુત્તમ ઇલેક્ટ્રોન એટલે ઓપરેટિંગ ફોટોન ઊર્જા (20-100 eV) ની આસપાસની સામગ્રીમાં મુક્ત માર્ગ જે ત્રિ-પરિમાણીય જથ્થાબંધ સામગ્રી સંવેદનશીલતા તરફ મૂળભૂત અવરોધ તરફ દોરી જાય છે, એંગલ-રિઝોલ્વ્ડ ફોટોમિશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી માટે વૈકલ્પિક ફોટોન સ્રોત ઇચ્છનીય છે. જો ફેમ્ટોસેકન્ડ લેસર્સનો ઉપયોગ કરવામાં આવે, તો પંપ-પ્રોબ યોજના રજૂ કરીને ઉત્તેજિત ઇલેક્ટ્રોનિક સ્થિતિઓ અને ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતાને ઍક્સેસ કરવા માટે પદ્ધતિને સરળતાથી વિસ્તૃત કરી શકાય છે, બે-ફોટોન ફોટોઇલેક્ટ્રોન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી પણ જુઓ. કેટલાક સંશોધન જૂથો દ્વારા લેસર-આધારિત એઆરપીઇએસ બેકગ્રાઉન્ડ ટેબલ-ટોપ લેસર-આધારિત એંગલ-રિઝોલ્વ્ડ ફોટોમિશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી વિકસાવવામાં આવી હતી. કોલોરાડો યુનિવર્સિટી, બોલ્ડરના ડેનિયલ ડેસાઉએ પ્રથમ પ્રદર્શન કર્યું અને સુપરકન્ડક્ટિંગ સિસ્ટમની શોધ કરવા માટે આ તકનીકનો ઉપયોગ કર્યો. આ સિદ્ધિ માત્ર ખર્ચ અને સુવિધાના કદને મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડે છે એટલું જ નહીં, પરંતુ સૌથી અગત્યનું, ઓછી ફોટોન ઊર્જા, સામાન્ય રીતે 6 eV, અને પરિણામે લાંબા ફોટોઇલેક્ટ્રોન સરેરાશ મુક્ત માર્ગ (2-7 nm) ને કારણે અભૂતપૂર્વ ઉચ્ચ જથ્થાબંધ સંવેદનશીલતા પૂરી પાડે છે. આ લાભ મજબૂત સહસંબંધિત સામગ્રી અને ઉચ્ચ-ટી. સી. સુપરકન્ડક્ટર્સના અભ્યાસ માટે અત્યંત ફાયદાકારક અને શક્તિશાળી છે જેમાં સૌથી ઉપરના સ્તરોમાંથી ફોટોઇલેક્ટ્રોનનું ભૌતિકશાસ્ત્ર જથ્થાથી અલગ હોઈ શકે છે. જથ્થાબંધ સંવેદનશીલતામાં એક ક્રમના પરિમાણમાં સુધારો કરવા ઉપરાંત, વેગમાન રીઝોલ્યુશનમાં પ્રગતિ પણ ખૂબ જ નોંધપાત્ર છેઃ જ્યારે આપતનાં ફોટોનની ઊર્જા ઘટશે ત્યારે ફોટોઇલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જન ખૂણામાં વધુ વ્યાપક રીતે વિખેરાઈ જશે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, ઇલેક્ટ્રોન સ્પેક્ટ્રોમીટરના આપેલ કોણીય રીઝોલ્યુશન માટે, નીચી ફોટોન ઊર્જા ઉચ્ચ વેગ રીઝોલ્યુશન તરફ દોરી જાય છે. 6 ઇ. વી. લેસર-આધારિત એ. આર. પી. ઇ. એસ. નું લાક્ષણિક મોમેન્ટમ રિઝોલ્યુશન 50 ઇ. વી. સિંક્રોટ્રોન રેડિયેશન એ. આર. પી. ઇ. એસ. કરતા આશરે 8 ગણું વધુ સારું છે. આ ઉપરાંત, ઓછી ફોટોન ઊર્જાને કારણે વધુ સારી ગતિ રીઝોલ્યુશન પણ એઆરપીઇએસ માટે ઓછી કે-સ્પેસ સુલભ બનાવે છે જે વધુ ચોક્કસ સ્પેક્ટ્રમ વિશ્લેષણ માટે મદદરૂપ થાય છે. દાખલા તરીકે, 50 ઇ. વી. સિંક્રોટ્રોન એ. આર. પી. ઇ. એસ. માં, પ્રથમ 4 બ્રિલોઇન ઝોનમાંથી ઇલેક્ટ્રોન ઉત્તેજિત થશે અને ફોટોઇલેક્ટ્રોન વિશ્લેષણની પૃષ્ઠભૂમિમાં ફાળો આપવા માટે વિખેરાઈ જશે. જો કે, 6 ઇ. વી. એ. આર. પી. ઇ. એસ. ની નાની ગતિ માત્ર પ્રથમ બ્રિલોઇન ઝોનના અમુક ભાગને જ ઍક્સેસ કરશે અને તેથી કે-સ્પેસના નાના પ્રદેશમાંથી માત્ર તે જ ઇલેક્ટ્રોન બહાર કાઢી શકાય છે અને પૃષ્ઠભૂમિ તરીકે શોધી શકાય છે. નબળા ભૌતિક જથ્થાનું, ખાસ કરીને ઉચ્ચ-ટી. સી. સુપરકન્ડક્ટર્સનું માપન કરતી વખતે ઘટેલી અસ્થિર સ્કેટરિંગ બેકગ્રાઉન્ડ ઇચ્છનીય છે. પ્રાયોગિક અનુભૂતિ પ્રથમ 6 ઇ. વી. લેસર-આધારિત એ. આર. પી. ઇ. એસ. પ્રણાલીમાં કેર મોડ-લોક ટી. આઈ. નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતોઃ નીલમ ઓસિલેટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે અને બીજી આવર્તન બમણી એન. ડી. સાથે પમ્પ કરવામાં આવે છેઃ 5 ડબલ્યુ. નું વેનાડેટ લેસર અને પછી 70 એફ. એસ. અને 6 એન. જે. પલ્સ ઉત્પન્ન કરે છે જે 1 મેગાહર્ટઝ પુનરાવર્તન દર સાથે 840 એન. એમ. (1.5 ઇ. વી.) ની આસપાસ ટ્યુન કરી શકાય છે. પ્રકાશની બિન-રેખીય બીજી હાર્મોનિક પેઢીના બે તબક્કાઓ β-બેરિયમ બોરેટમાં I તબક્કાના મેળ દ્વારા હાથ ધરવામાં આવે છે અને પછી 210 nm (~ 6 eV) સાથેનો ચાર ગણો પ્રકાશ ઉત્પન્ન થાય છે અને અંતે કેન્દ્રિત થાય છે અને નમૂનાના ઇલેક્ટ્રોનિક માળખાની તપાસ કરવા માટે ઓછી-ઊર્જા ફોટોન સ્રોત તરીકે અલ્ટ્રા-હાઇ વેક્યૂમ ચેમ્બરમાં નિર્દેશિત થાય છે. પ્રથમ પ્રદર્શનમાં, ડેસૌના જૂથે દર્શાવ્યું હતું કે લાક્ષણિક આગળનું હાર્મોનિક વર્ણપટ ગૌસીયન રૂપરેખા સાથે ખૂબ જ સારી રીતે બંધબેસે છે, જેની સંપૂર્ણ પહોળાઈ અડધી મહત્તમ 4.7 એમ. વી. છે તેમજ 200 માઇક્રોવોટ પાવર રજૂ કરે છે. ઉચ્ચ પ્રવાહ (~ 1014-1015 ફોટોન/સેકન્ડ) અને સાંકડી બેન્ડવિડ્થનું પ્રદર્શન લેસર આધારિત એઆરપીઇએસને સિંક્રોટ્રોન કિરણોત્સર્ગ એઆરપીઇએસને ડૂબી જાય છે, તેમ છતાં શ્રેષ્ઠ અનડ્યુલેટર બીમલાઇનનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. બીજો નોંધપાત્ર મુદ્દો એ છે કે ચાર ગણો પ્રકાશ 1/4 વેવ પ્લેટ અથવા 1/2 વેવ પ્લેટમાંથી પસાર થઈ શકે છે જે ગોળાકાર ધ્રુવીકરણ અથવા એઆરપીઇએસમાં કોઈપણ રેખીય ધ્રુવીકરણ પ્રકાશ ઉત્પન્ન કરે છે. કારણ કે પ્રકાશનું ધ્રુવીકરણ સંકેત અને પૃષ્ઠભૂમિ ગુણોત્તરને પ્રભાવિત કરી શકે છે, પ્રકાશના ધ્રુવીકરણને નિયંત્રિત કરવાની ક્ષમતા એ સિંક્રોટ્રોન એઆરપીઇએસ પર ખૂબ જ નોંધપાત્ર સુધારો અને ફાયદો છે. ઓપરેટિંગ અને જાળવણી માટેના ઓછા ખર્ચ, વધુ સારી ઊર્જા અને વેગ રીઝોલ્યુશન, અને ઉચ્ચ પ્રવાહ અને ફોટોન સ્રોતના ધ્રુવીકરણ નિયંત્રણની સરળતા સહિત ઉપરોક્ત અનુકૂળ સુવિધાઓ સાથે, લેસર આધારિત એઆરપીઇએસ નિઃશંકપણે કન્ડેન્સ્ડ દ્રવ્ય ભૌતિકશાસ્ત્રમાં વધુ વ્યવહારદક્ષ પ્રયોગો કરવા માટે કાર્યરત થવા માટે એક આદર્શ ઉમેદવાર છે. એપ્લિકેશન્સ હાઇ-ટી. સી. સુપરકન્ડક્ટર લેસર-આધારિત એ. આર. પી. ઇ. એસ. ની શક્તિશાળી ક્ષમતા બતાવવાની એક રીત એ છે કે ઉચ્ચ ટી. સી. સુપરકન્ડક્ટરનો અભ્યાસ કરવો. નીચેના આંકડા સંદર્ભો આ પ્રકાશનનો સંદર્ભ આપે છે. અંજીર. 1 એ બ્રિલૌઇન ઝોનની નોડલ દિશામાં સુપરકન્ડક્ટિંગ Bi2Sr2CaCu2O8 + d નો પ્રાયોગિક પ્રસરણ સંબંધ, બંધનકર્તા ઊર્જા વિરુદ્ધ વેગ દર્શાવે છે. અંજીર. 1 (બી) અને આકૃતિ. 1 (સી) અનુક્રમે 28 ઇ. વી. અને 52 ઇ. વી. ના સિંક્રોટ્રોન પ્રકાશ સ્રોત દ્વારા શ્રેષ્ઠ અનડ્યુલેટર બીમલાઈન સાથે લેવામાં આવે છે. નોંધપાત્ર રીતે તીક્ષ્ણ વર્ણપટ શિખરો, શક્તિશાળી લેસર-આધારિત એઆરપીઇએસ દ્વારા ક્યુપ્રેટ સુપરકન્ડક્ટરમાં અર્ધ-કણોના પુરાવા આકૃતિમાં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. 1 (એ). સિંક્રોટ્રોન એઆરપીઇએસમાંથી ઉચ્ચ ઊર્જા સાથે ટેબલ-ટોપ લેસરમાંથી ઓછી ફોટોન ઊર્જા પર પ્રસરણ ઊર્જા-વેગ સંબંધની આ પ્રથમ સરખામણી છે. (એ) માં વધુ સ્પષ્ટ વિક્ષેપ એ સુધારેલ ઊર્જા-ગતિ રીઝોલ્યુશન તેમજ ઘણા મહત્વપૂર્ણ ભૌતિક લક્ષણો સૂચવે છે, જેમ કે એકંદર બેન્ડ વિક્ષેપ, ફર્મિ સપાટી, સુપરકન્ડક્ટિંગ ગેપ્સ અને ઇલેક્ટ્રોન-બોસોન જોડાણ દ્વારા કિન્ક, સફળતાપૂર્વક પુનઃઉત્પાદિત થાય છે. તે અનુમાનિત છે કે નજીકના ભવિષ્યમાં લેસર-આધારિત એઆરપીઇએસનો વ્યાપક ઉપયોગ કન્ડેન્સ્ડ મેટર ભૌતિકશાસ્ત્રીઓને વિદેશી સામગ્રીમાં સુપરકન્ડક્ટિવિટીની પ્રકૃતિ તેમજ અન્ય નવીન ગુણધર્મો વિશે વધુ વિગતવાર માહિતી મેળવવામાં મદદ કરવા માટે કરવામાં આવશે જેનું અત્યાધુનિક પરંપરાગત પ્રાયોગિક તકનીકો દ્વારા અવલોકન કરી શકાતું નથી. સમય-ઉકેલાયેલ ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતા ફેમ્ટોસેકન્ડ લેસર-આધારિત એઆરપીઇએસને સમય-ઉકેલાયેલ ફોટોમિશન અને બે-ફોટોન ફોટોઇલેક્ટ્રોન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીમાં ઉત્તેજિત સ્થિતિઓને સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક ઍક્સેસ આપવા માટે વિસ્તૃત કરી શકાય છે. પ્રથમ ફોટોન સાથે ઉચ્ચ સ્તરની ઉત્તેજિત સ્થિતિમાં ઇલેક્ટ્રોનને પમ્પ કરીને, સમયના કાર્ય તરીકે ઇલેક્ટ્રોનિક સ્થિતિઓની અનુગામી ઉત્ક્રાંતિ અને ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનો અભ્યાસ બીજા પ્રોબિંગ ફોટોન દ્વારા કરી શકાય છે. પરંપરાગત પંપ-પ્રોબ પ્રયોગો સામાન્ય રીતે કેટલાક ઓપ્ટિકલ સ્થિરાંકોના ફેરફારોને માપે છે, જે સંબંધિત ભૌતિકશાસ્ત્ર મેળવવા માટે ખૂબ જટિલ હોઈ શકે છે. એઆરપીઇએસ ઇલેક્ટ્રોનિક માળખાઓ અને ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ વિશે ઘણી વિગતવાર માહિતી પ્રદાન કરી શકે છે, તેથી પંપ-પ્રોબ લેસર-આધારિત એઆરપીઇએસ સબ-પીકોસેકન્ડ રિઝોલ્યુશન સાથે વધુ જટિલ ઇલેક્ટ્રોનિક સિસ્ટમોનો અભ્યાસ કરી શકે છે. સારાંશ અને પરિપ્રેક્ષ્ય એંગલ-રિઝોલ્વ્ડ સિંક્રોટ્રોન કિરણોત્સર્ગ સ્રોતનો ઉપયોગ સપાટીના પ્રસરણશીલ ઊર્જા-ગતિ વર્ણપટની તપાસ કરવા માટે વ્યાપકપણે કરવામાં આવે છે, તેમ છતાં લેસર-આધારિત એઆરપીઇએસ વધુ સારી ઊર્જા અને ગતિ રીઝોલ્યુશન સાથે વધુ વિગતવાર અને જથ્થાબંધ-સંવેદનશીલ ઇલેક્ટ્રોનિક માળખાં પણ પ્રદાન કરી શકે છે, જે મજબૂત સહસંબંધિત ઇલેક્ટ્રોનિક સિસ્ટમ, ઉચ્ચ-ટી. સી. સુપરકન્ડક્ટર અને વિદેશી ક્વોન્ટમ સિસ્ટમમાં તબક્કાના સંક્રમણનો અભ્યાસ કરવા માટે વિવેચનાત્મક રીતે જરૂરી છે. વધુમાં, સંચાલન માટેના ઓછા ખર્ચ અને ઉચ્ચ ફોટોન ફ્લક્સ લેસર આધારિત એઆરપીઇએસને નિયંત્રિત કરવા માટે સરળ બનાવે છે અને સપાટી વિજ્ઞાન માટેની અન્ય આધુનિક પ્રાયોગિક તકનીકોમાં વધુ બહુમુખી અને શક્તિશાળી બનાવે છે. આ પણ જુઓ ફોટોઇમિશન એઆરપીઇએસ બે-ફોટોન ફોટોઇલેક્ટ્રોન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી સિંક્રોટ્રોન રેડિયેશન એક્સપીએસ ફર્મી સપાટી લેસર લેખોની સૂચિ સંદર્ભો ઉત્સર્જન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી સિંક્રોટ્રોન-સંબંધિત તકનીકો