Laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy
लेजर-आधारित कोण-हल फोटो उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी कोण-हल फोटो उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी का एक रूप है जो प्रकाश स्रोत के रूप में लेजर का उपयोग करता है। प्रकाश उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी सतह भौतिकी का अध्ययन करने के लिए एक शक्तिशाली और संवेदनशील प्रयोगात्मक तकनीक है। यह मूल रूप से 1887 में हेनरिक हर्ट्ज़ द्वारा देखे गए फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर आधारित है और बाद में 1905 में अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा समझाया गया कि जब कोई सामग्री प्रकाश से चमकती है, तो इलेक्ट्रॉन फोटॉन को अवशोषित कर सकते हैं और गतिज ऊर्जा के साथ सामग्री से बाहर निकल सकते हैंः, आपतित फोटॉन ऊर्जा, सामग्री का कार्य कार्य कहाँ है। चूंकि उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक संरचना के साथ अत्यधिक जुड़ी हुई है, इसलिए फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी का विश्लेषण करके कोई भी सामग्री के मौलिक भौतिक और रासायनिक गुणों का एहसास कर सकता है, जैसे कि स्थानीय बंधन, इलेक्ट्रॉनिक संरचना और रासायनिक संरचना का प्रकार और व्यवस्था। इसके अलावा, क्योंकि अलग-अलग गति वाले इलेक्ट्रॉन नमूने से अलग-अलग दिशाओं में बच निकलेंगे, कोण-हल फोटो-उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी का व्यापक रूप से फैलाव ऊर्जा-गति स्पेक्ट्रम प्रदान करने के लिए उपयोग किया जाता है। प्रकाश उत्सर्जन प्रयोग 20-100 ई. वी. की विशिष्ट फोटॉन ऊर्जा के साथ सिंक्रोट्रॉन विकिरण प्रकाश स्रोत का उपयोग करके किया जाता है। सिंक्रोट्रॉन प्रकाश द्वि-आयामी सतह प्रणालियों की जांच के लिए आदर्श है और आपतित फोटॉन ऊर्जा को लगातार बदलने के लिए अद्वितीय लचीलापन प्रदान करता है। हालांकि, इस त्वरक के निर्माण और रखरखाव के लिए उच्च लागत, बीम समय के लिए उच्च प्रतिस्पर्धा के साथ-साथ ऑपरेटिंग फोटॉन ऊर्जा (20-100 eV) के आसपास की सामग्री में सार्वभौमिक न्यूनतम इलेक्ट्रॉन का मतलब मुक्त मार्ग है जो त्रि-आयामी थोक सामग्री संवेदनशीलता के लिए मौलिक बाधा की ओर ले जाता है, कोण-हल फोटो उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए एक वैकल्पिक फोटॉन स्रोत वांछनीय है। यदि फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग किया जाता है, तो एक पंप-जांच योजना शुरू करके उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं और इलेक्ट्रॉन गतिकी तक पहुँचने के लिए विधि को आसानी से बढ़ाया जा सकता है, दो-फोटॉन फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी भी देखें। कुछ शोध समूहों द्वारा लेजर-आधारित ए. आर. पी. ई. एस. पृष्ठभूमि तालिका-शीर्ष लेजर-आधारित कोण-हल फोटो उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी विकसित की गई थी। कोलोराडो विश्वविद्यालय, बोल्डर के डैनियल डेसाउ ने पहला प्रदर्शन किया और सुपरकंडक्टिंग प्रणाली का पता लगाने के लिए इस तकनीक को लागू किया। यह उपलब्धि न केवल सुविधा की लागत और आकार को बहुत कम करती है, बल्कि सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि कम फोटॉन ऊर्जा, आमतौर पर 6 ई. वी., और इसके परिणामस्वरूप लंबे फोटोइलेक्ट्रॉन का मतलब मुक्त मार्ग (2-7 एन. एम.) के कारण अभूतपूर्व उच्च थोक संवेदनशीलता प्रदान करती है। यह लाभ दृढ़ता से सहसंबद्ध सामग्रियों और उच्च-टी. सी. सुपरकंडक्टर्स के अध्ययन के लिए बेहद फायदेमंद और शक्तिशाली है जिसमें सबसे ऊपरी परतों से फोटोइलेक्ट्रॉन की भौतिकी थोक से अलग हो सकती है। थोक संवेदनशीलता में लगभग एक क्रम के परिमाण में सुधार के अलावा, संवेग संकल्प में प्रगति भी बहुत महत्वपूर्ण हैः आपतित फोटॉन की ऊर्जा कम होने पर प्रकाश इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन कोण में अधिक व्यापक रूप से बिखरे होंगे। दूसरे शब्दों में, इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोमीटर के दिए गए कोणीय संकल्प के लिए, कम फोटॉन ऊर्जा उच्च संवेग संकल्प की ओर ले जाती है। 6 ई. वी. लेजर-आधारित ए. आर. पी. ई. एस. का विशिष्ट संवेग संकल्प 50 ई. वी. सिंक्रोट्रॉन विकिरण ए. आर. पी. ई. एस. की तुलना में लगभग 8 गुना बेहतर है। इसके अलावा, कम फोटॉन ऊर्जा के कारण बेहतर संवेग संकल्प के परिणामस्वरूप एआरपीईएस के लिए कम के-स्पेस सुलभ होता है जो अधिक सटीक स्पेक्ट्रम विश्लेषण के लिए सहायक होता है। उदाहरण के लिए, 50 ई. वी. सिंक्रोट्रॉन ए. आर. पी. ई. एस. में, पहले 4 ब्रिलौइन क्षेत्रों से इलेक्ट्रॉन उत्तेजित और बिखरे हुए होंगे जो फोटोइलेक्ट्रॉन विश्लेषण की पृष्ठभूमि में योगदान करेंगे। हालांकि, 6 ई. वी. ए. आर. पी. ई. एस. की छोटी गति केवल पहले ब्रिलौइन क्षेत्र के कुछ हिस्से तक ही पहुंचेगी और इसलिए केवल के-स्पेस के छोटे क्षेत्र से उन इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकाला जा सकता है और पृष्ठभूमि के रूप में पता लगाया जा सकता है। कमजोर भौतिक मात्राओं, विशेष रूप से उच्च-टी. सी. सुपरकंडक्टर्स की माप करते समय कम अस्थिर प्रकीर्णन पृष्ठभूमि वांछनीय है। प्रायोगिक प्राप्ति पहली 6 ई. वी. लेजर-आधारित ए. आर. पी. ई. एस. प्रणाली में एक केर मोड-लॉक टी. आई. का उपयोग किया गयाः नीलम ऑसिलेटर का उपयोग किया जाता है और एक और आवृत्ति दोगुनी एन. डी. के साथ पंप किया जाता हैः 5 डब्ल्यू का वैनाडेट लेजर और फिर 70 एफ. एस. और 6 एन. जे. दाल उत्पन्न करता है जो 1 मेगाहर्ट्ज पुनरावृत्ति दर के साथ लगभग 840 एन. एम. (1.5 ई. वी.) ट्यून करने योग्य होते हैं। प्रकाश की गैर-रैखिक दूसरी हार्मोनिक पीढ़ी के दो चरणों को β-बेरियम बोरेट में प्रकार I चरण मिलान के माध्यम से किया जाता है और फिर 210 nm (~ 6 eV) के साथ चौगुना प्रकाश उत्पन्न होता है और अंत में केंद्रित होता है और नमूने की इलेक्ट्रॉनिक संरचना की जांच करने के लिए कम ऊर्जा वाले फोटॉन स्रोत के रूप में अल्ट्रा-हाई वैक्यूम कक्ष में निर्देशित किया जाता है। पहले प्रदर्शन में, डेसाऊ के समूह ने दिखाया कि विशिष्ट आगे का हार्मोनिक स्पेक्ट्रम गौसी प्रोफाइल के साथ बहुत अच्छी तरह से फिट बैठता है, जिसकी पूर्ण चौड़ाई 4.7 एम. वी. के आधे अधिकतम के साथ-साथ 200 एम. डब्ल्यू. शक्ति भी प्रस्तुत करता है। उच्च प्रवाह (~ 1014-1015 फोटॉन/एस) और संकीर्ण बैंडविड्थ का प्रदर्शन लेजर-आधारित एआरपीईएस को सिंक्रोट्रॉन विकिरण एआरपीईएस पर हावी कर देता है, भले ही सबसे अच्छी अनड्यूलेटर बीमलाइन का उपयोग किया जाता है। एक अन्य ध्यान देने योग्य बात यह है कि कोई भी चौगुना प्रकाश को 1/4 तरंग प्लेट या 1/2 तरंग प्लेट से गुजर सकता है जो एआरपीईएस में गोलाकार ध्रुवीकरण या किसी भी रैखिक ध्रुवीकरण प्रकाश का उत्पादन करता है। क्योंकि प्रकाश का ध्रुवीकरण संकेत से पृष्ठभूमि अनुपात को प्रभावित कर सकता है, प्रकाश के ध्रुवीकरण को नियंत्रित करने की क्षमता सिंक्रोट्रॉन एआरपीईएस पर एक बहुत ही महत्वपूर्ण सुधार और लाभ है। संचालन और रखरखाव के लिए कम लागत, बेहतर ऊर्जा और गति संकल्प, और उच्च प्रवाह और फोटॉन स्रोत के ध्रुवीकरण नियंत्रण में आसानी सहित उपरोक्त अनुकूल विशेषताओं के साथ, लेजर-आधारित एआरपीईएस निस्संदेह संघनित पदार्थ भौतिकी में अधिक परिष्कृत प्रयोग करने के लिए नियोजित होने के लिए एक आदर्श उम्मीदवार है। अनुप्रयोग उच्च-टी. सी. सुपरकंडक्टर लेजर-आधारित ए. आर. पी. ई. एस. की शक्तिशाली क्षमता दिखाने का एक तरीका उच्च टी. सी. सुपरकंडक्टर्स का अध्ययन करना है। निम्नलिखित आंकड़े इस प्रकाशन का उल्लेख करते हैं। चित्र. 1 ब्रिलौइन क्षेत्र की नोडल दिशा के साथ सुपरकंडक्टिंग Bi2Sr2CaCu2O8 + d के प्रायोगिक फैलाव संबंध, बाध्यकारी ऊर्जा बनाम गति को दर्शाता है। चित्र. 1 (बी) और चित्र। 1 (सी) को क्रमशः 28 ई. वी. और 52 ई. वी. के सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत द्वारा सर्वश्रेष्ठ अनड्यूलेटर बीमलाइन के साथ लिया जाता है। शक्तिशाली लेजर-आधारित ए. आर. पी. ई. एस. द्वारा काफी तेज वर्णक्रमीय शिखर, क्यूप्रेट सुपरकंडक्टर में अर्ध-कणों के प्रमाण चित्र में दिखाए गए हैं। 1 (ए)। यह सिंक्रोट्रॉन एआरपीईएस से उच्च ऊर्जा के साथ टेबल-टॉप लेजर से कम फोटॉन ऊर्जा पर फैलाव ऊर्जा-गति संबंध की पहली तुलना है। (ए) में बहुत स्पष्ट फैलाव बेहतर ऊर्जा-गति संकल्प के साथ-साथ कई महत्वपूर्ण भौतिक विशेषताओं को इंगित करता है, जैसे कि समग्र बैंड फैलाव, फर्मी सतह, सुपरकंडक्टिंग अंतराल, और इलेक्ट्रॉन-बोसॉन युग्मन द्वारा एक किंक, सफलतापूर्वक पुनः उत्पन्न किए जाते हैं। यह अनुमान लगाया जा सकता है कि निकट भविष्य में लेजर-आधारित एआरपीईएस का व्यापक रूप से उपयोग संघनित पदार्थ भौतिकविदों को विदेशी सामग्रियों में अतिचालकता की प्रकृति के साथ-साथ अन्य नवीन गुणों के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी प्राप्त करने में मदद करने के लिए किया जाएगा, जिन्हें अत्याधुनिक पारंपरिक प्रयोगात्मक तकनीकों द्वारा नहीं देखा जा सकता है। समय-हल इलेक्ट्रॉन गतिकी फेमटोसेकंड लेजर-आधारित ए. आर. पी. ई. एस. को समय-हल फोटो उत्सर्जन और दो-फोटॉन फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी में उत्तेजित अवस्थाओं तक स्पेक्ट्रोस्कोपिक पहुंच देने के लिए बढ़ाया जा सकता है। पहले फोटॉन के साथ एक इलेक्ट्रॉन को उच्च स्तर की उत्तेजित अवस्था में पंप करके, समय के एक कार्य के रूप में इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं के बाद के विकास और अंतःक्रियाओं का अध्ययन दूसरे जांच फोटॉन द्वारा किया जा सकता है। पारंपरिक पंप-प्रोब प्रयोग आमतौर पर कुछ ऑप्टिकल स्थिरांकों के परिवर्तनों को मापते हैं, जो प्रासंगिक भौतिकी प्राप्त करने के लिए बहुत जटिल हो सकते हैं। चूँकि ए. आर. पी. ई. एस. इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं और अंतःक्रियाओं के बारे में बहुत सारी विस्तृत जानकारी प्रदान कर सकता है, पंप-जांच लेजर-आधारित ए. आर. पी. ई. एस. उप-पिकोसेकंड संकल्प के साथ अधिक जटिल इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों का अध्ययन कर सकता है। सारांश और परिप्रेक्ष्य भले ही कोण-हल किए गए सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत का व्यापक रूप से सतह के फैलाव ऊर्जा-गति स्पेक्ट्रम की जांच के लिए उपयोग किया जाता है, लेजर-आधारित एआरपीईएस बहुत बेहतर ऊर्जा और गति संकल्प के साथ अधिक विस्तृत और थोक-संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक संरचनाएं भी प्रदान कर सकता है, जो दृढ़ता से सहसंबद्ध इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली, उच्च-टीसी सुपरकंडक्टर और विदेशी क्वांटम प्रणाली में चरण संक्रमण का अध्ययन करने के लिए गंभीर रूप से आवश्यक हैं। इसके अलावा, संचालन के लिए कम लागत और उच्च फोटॉन फ्लक्स लेजर-आधारित एआरपीईएस को संभालना आसान बनाता है और सतह विज्ञान के लिए अन्य आधुनिक प्रयोगात्मक तकनीकों के बीच अधिक बहुमुखी और शक्तिशाली बनाता है। फोटोइमिशन एआरपीईएस टू-फोटॉन फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी सिंक्रोट्रॉन विकिरण एक्सपीएस फर्मी सतह लेजर लेखों की सूची संदर्भ उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी सिंक्रोट्रॉन-संबंधित तकनीकें