Laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy
லேசர் அடிப்படையிலான கோணம்-தீர்க்கப்பட்ட ஒளி உமிழ்வு ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி என்பது கோணம்-தீர்க்கப்பட்ட ஒளி உமிழ்வு ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபியின் ஒரு வடிவமாகும், இது லேசரை ஒளி ஆதாரமாகப் பயன்படுத்துகிறது. ஃபோட்டோமிஷன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி என்பது மேற்பரப்பு இயற்பியலைப் படிப்பதற்கான ஒரு சக்திவாய்ந்த மற்றும் உணர்திறன் கொண்ட சோதனை நுட்பமாகும். இது 1887 ஆம் ஆண்டில் ஹென்ரிச் ஹெர்ட்ஸ் முதன்முதலில் கவனித்த ஒளிமின்னழுத்த விளைவை அடிப்படையாகக் கொண்டது, பின்னர் 1905 ஆம் ஆண்டில் ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன் விளக்கினார், ஒரு பொருள் ஒளியால் பிரகாசிக்கும்போது, எலக்ட்ரான்கள் ஃபோட்டான்களை உறிஞ்சி, இயக்க ஆற்றலுடன் பொருளிலிருந்து தப்பிக்க முடியும். வெளியேற்றப்பட்ட எலக்ட்ரான்களின் இயக்க ஆற்றல் உள் மின்னணு கட்டமைப்புடன் மிகவும் தொடர்புடையது என்பதால், ஃபோட்டோ எலக்ட்ரான் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபியை பகுப்பாய்வு செய்வதன் மூலம் உள்ளூர் பிணைப்பின் வகை மற்றும் ஏற்பாடு, மின்னணு அமைப்பு மற்றும் வேதியியல் கலவை போன்ற பொருளின் அடிப்படை இயற்பியல் மற்றும் வேதியியல் பண்புகளை ஒருவர் உணர முடியும். கூடுதலாக, வெவ்வேறு வேகத்தைக் கொண்ட எலக்ட்ரான்கள் மாதிரியிலிருந்து வெவ்வேறு திசைகளில் தப்பிக்கும் என்பதால், கோண-தீர்க்கப்பட்ட ஒளி உமிழ்வு நிறமாலை பரவலாக சிதறல் ஆற்றல்-வேக நிறமாலையை வழங்க பயன்படுத்தப்படுகிறது. ஒளி உமிழ்வு சோதனை 20-100 eV இன் வழக்கமான ஃபோட்டான் ஆற்றலுடன் சின்க்ரோட்ரான் கதிர்வீச்சு ஒளி மூலத்தைப் பயன்படுத்தி நடத்தப்படுகிறது. சின்க்ரோட்ரான் ஒளி இரு பரிமாண மேற்பரப்பு அமைப்புகளை ஆராய்வதற்கு ஏற்றது மற்றும் சம்பவ ஃபோட்டான் ஆற்றலை தொடர்ந்து மாற்றுவதற்கு இணையற்ற நெகிழ்வுத்தன்மையை வழங்குகிறது. இருப்பினும், இந்த முடுக்கியை உருவாக்குவதற்கும் பராமரிப்பதற்கும் அதிக செலவுகள், பீம் நேரத்திற்கான அதிக போட்டி மற்றும் இயக்க ஃபோட்டான் ஆற்றலைச் சுற்றியுள்ள பொருளில் உலகளாவிய குறைந்தபட்ச எலக்ட்ரான் சராசரி இலவச பாதை (20-100 eV) காரணமாக முப்பரிமாண மொத்த பொருட்களின் உணர்திறனுக்கு அடிப்படை தடையாக வழிவகுக்கிறது, கோண-தீர்க்கப்பட்ட ஃபோட்டோமிஷன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபிக்கான மாற்று ஃபோட்டான் ஆதாரம் விரும்பத்தக்கது. ஃபெம்டோசெகண்ட் லேசர்கள் பயன்படுத்தப்பட்டால், பம்ப்-ஆய்வு திட்டத்தை அறிமுகப்படுத்துவதன் மூலம் உற்சாகமான மின்னணு நிலைகள் மற்றும் எலக்ட்ரான் இயக்கவியலை அணுக இந்த முறையை எளிதாக நீட்டிக்க முடியும், மேலும் இரண்டு ஃபோட்டான் ஃபோட்டோ எலக்ட்ரான் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபியையும் பார்க்கவும். லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் பின்னணி அட்டவணை-மேல் லேசர் அடிப்படையிலான கோணம்-தீர்க்கப்பட்ட ஒளி உமிழ்வு ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி சில ஆராய்ச்சி குழுக்களால் உருவாக்கப்பட்டது. போல்டரில் உள்ள கொலராடோ பல்கலைக்கழகத்தைச் சேர்ந்த டேனியல் டெஸ்ஸாவ் முதல் ஆர்ப்பாட்டம் நடத்தி, இந்த நுட்பத்தைப் பயன்படுத்தி சூப்பர் கண்டக்டிங் அமைப்பை ஆராய்ந்தார். இந்த சாதனை வசதியின் செலவுகளையும் அளவையும் பெரிதும் குறைப்பது மட்டுமல்லாமல், மிக முக்கியமாக, குறைந்த ஃபோட்டான் ஆற்றல், பொதுவாக 6 eV, இதன் விளைவாக நீண்ட ஃபோட்டோ எலக்ட்ரான் சராசரி இலவச பாதை (2-7 nm) காரணமாக முன்னோடியில்லாத வகையில் அதிக மொத்த உணர்திறனை வழங்குகிறது. இந்த நன்மை வலுவாக தொடர்புடைய பொருட்கள் மற்றும் உயர்-டிசி சூப்பர் கண்டக்டர்களின் ஆய்வுக்கு மிகவும் பயனுள்ளதாகவும் சக்திவாய்ந்ததாகவும் உள்ளது, இதில் மிக உயர்ந்த அடுக்குகளிலிருந்து வரும் ஒளிமின்னழுத்தங்களின் இயற்பியல் மொத்தத்திலிருந்து வேறுபட்டிருக்கலாம். மொத்த உணர்திறனில் ஒரு-வரிசை-அளவு முன்னேற்றத்துடன் கூடுதலாக, வேகத் தீர்மானத்தின் முன்னேற்றமும் மிகவும் குறிப்பிடத்தக்கதுஃ சம்பவ ஃபோட்டானின் ஆற்றல் குறையும் போது ஃபோட்டோ எலக்ட்ரான்கள் உமிழ்வு கோணத்தில் மிகவும் பரவலாக சிதறடிக்கப்படும். வேறு வார்த்தைகளில் கூறுவதானால், எலக்ட்ரான் ஸ்பெக்ட்ரோமீட்டரின் கொடுக்கப்பட்ட கோணத் தீர்மானத்திற்கு, குறைந்த ஃபோட்டான் ஆற்றல் அதிக வேகத் தீர்மானத்திற்கு வழிவகுக்கிறது. 6 ஈ. வி. லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ்-இன் வழக்கமான வேகத் தீர்மானம் 50 ஈ. வி. சின்க்ரோட்ரான் கதிர்வீச்சு ஏஆர்பிஇஎஸ்-ஐ விட சுமார் 8 மடங்கு சிறந்தது. தவிர, குறைந்த ஃபோட்டான் ஆற்றல் காரணமாக சிறந்த வேகத் தெளிவுத்திறன் ஏஆர்பிஇஎஸ்-க்கு அணுகக்கூடிய குறைந்த கே-இடத்தை விளைவிக்கிறது, இது மிகவும் துல்லியமான ஸ்பெக்ட்ரம் பகுப்பாய்விற்கு உதவியாக இருக்கும். உதாரணமாக, 50 eV சின்க்ரோட்ரான் ஏஆர்பிஇஎஸ் இல், முதல் 4 பிரில்லோயின் மண்டலங்களிலிருந்து வரும் எலக்ட்ரான்கள் ஒளிமின்னழுத்த பகுப்பாய்வின் பின்னணிக்கு பங்களிக்க உற்சாகமாகவும் சிதறலாகவும் இருக்கும். இருப்பினும், 6 eV ஏஆர்பிஇஎஸ் இன் சிறிய வேகம் முதல் பிரில்லோயின் மண்டலத்தின் ஒரு பகுதியை மட்டுமே அணுகும், எனவே கே-ஸ்பேஸின் சிறிய பகுதியிலிருந்து அந்த எலக்ட்ரான்களை மட்டுமே வெளியேற்றி பின்னணியாகக் கண்டறிய முடியும். பலவீனமான இயற்பியல் அளவுகளை, குறிப்பாக உயர்-டிசி சூப்பர் கண்டக்டர்களை அளவிடும்போது குறைக்கப்பட்ட நெகிழ்வான சிதறல் பின்னணி விரும்பத்தக்கது. சோதனை உணர்தல் முதல் 6 ஈ. வி. லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் அமைப்பு கெர் முறை-பூட்டப்பட்ட டிஐஃ சபையர் ஆஸிலேட்டரைப் பயன்படுத்தியது மற்றும் மற்றொரு அதிர்வெண் இரட்டிப்பு என்டிஃ 5 டபிள்யூ வனடேட் லேசருடன் பம்ப் செய்யப்படுகிறது, பின்னர் 70 எஃப்எஸ் மற்றும் 6 என்ஜே துடிப்புகளை உருவாக்குகிறது, அவை 1 மெகா ஹெர்ட்ஸ் மறுசுழற்சி விகிதத்துடன் 840 என்எம் (1.5 ஈவி) சுற்றி ட்யூன் செய்யக்கூடியவை. β-பேரியம் போரேட்டில் உள்ள வகை I கட்ட பொருத்தம் மூலம் நேரியல் அல்லாத இரண்டாவது ஹார்மோனிக் தலைமுறை ஒளியின் இரண்டு நிலைகள் மேற்கொள்ளப்படுகின்றன, பின்னர் 210 nm (~ 6 eV) உடன் நான்கு மடங்கு ஒளி உருவாக்கப்பட்டு இறுதியாக கவனம் செலுத்தப்பட்டு அல்ட்ரா-ஹை வெற்றிட அறைக்குள் குறைந்த ஆற்றல் ஃபோட்டான் ஆதாரமாக மாதிரியின் மின்னணு கட்டமைப்பை ஆராய்வதற்காக இயக்கப்படுகிறது. முதல் ஆர்ப்பாட்டத்தில், டெசாவின் குழு வழக்கமான ஃபோர்ஸ்ட் ஹார்மோனிக் ஸ்பெக்ட்ரம் காஸியன் சுயவிவரத்துடன் நன்கு பொருந்துகிறது என்பதைக் காட்டியது, முழு அகலம் அரை அதிகபட்சம் 4.7 மெகாவாட் மற்றும் 200 மைக்ரோவாட் சக்தியை வழங்குகிறது. உயர் பாய்வு (~ 1014-1015 ஃபோட்டான்கள்/வி) மற்றும் குறுகிய அலைவரிசையின் செயல்திறன் லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் சிறந்த அன்டுலேட்டர் பீம்லைன்கள் பயன்படுத்தப்பட்டாலும் சின்க்ரோட்ரான் கதிர்வீச்சு ஏஆர்பிஇஎஸ் ஐ மூழ்கடிக்கிறது. மற்றொரு குறிப்பிடத்தக்க விஷயம் என்னவென்றால், நான்கு மடங்கு ஒளி 1/4 அலைத் தட்டு அல்லது 1/2 அலைத் தட்டு வழியாக செல்ல முடியும், இது வட்ட துருவமுனைப்பு அல்லது ஏஆர்பிஇஎஸ் இல் உள்ள எந்த நேரியல் துருவமுனைப்பு ஒளியையும் உருவாக்குகிறது. ஒளியின் துருவமுனைப்பு சமிக்ஞை-பின்னணி விகிதத்தை பாதிக்கக்கூடும் என்பதால், ஒளியின் துருவமுனைப்பைக் கட்டுப்படுத்தும் திறன் சின்க்ரோட்ரான் ஏஆர்பிஇஎஸ்-ஐ விட மிகவும் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம் மற்றும் நன்மை. செயல்பாடு மற்றும் பராமரிப்புக்கான குறைந்த செலவுகள், சிறந்த ஆற்றல் மற்றும் வேகத் தீர்மானம் மற்றும் அதிக ஃப்ளக்ஸ் மற்றும் ஃபோட்டான் மூலத்தின் துருவமுனைப்பு கட்டுப்பாட்டின் எளிமை உள்ளிட்ட மேற்கூறிய சாதகமான அம்சங்களுடன், லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் சந்தேகத்திற்கு இடமின்றி அமுக்கப்பட்ட பொருள் இயற்பியலில் மிகவும் அதிநவீன சோதனைகளை நடத்துவதற்கு பயன்படுத்தப்பட வேண்டிய சிறந்த தேர்வாகும். பயன்பாடுகள் உயர்-டிசி சூப்பர் கண்டக்டர் லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் இன் சக்திவாய்ந்த திறனைக் காண்பிப்பதற்கான ஒரு வழி உயர் டிசி சூப்பர் கண்டக்டர்களைப் படிப்பதாகும். பின்வரும் புள்ளிவிவரங்கள் இந்த வெளியீட்டைக் குறிக்கின்றன. படம். 1 பிரில்லோயின் மண்டலத்தின் நோடல் திசையில் சூப்பர் கண்டக்டிங் Bi2Sr2CaCu2O8 + d இன் சோதனை சிதறல் உறவை, பிணைப்பு ஆற்றல் மற்றும் வேகத்தை காட்டுகிறது. படம். 1 (ஆ) மற்றும் படம். 1 (c) முறையே 28 eV மற்றும் 52 eV இன் சின்க்ரோட்ரான் ஒளி மூலத்தால் எடுக்கப்படுகிறது, சிறந்த அன்டுலேட்டர் பீம்லைன்களுடன். சக்திவாய்ந்த லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் மூலம் கணிசமாக கூர்மையான நிறமாலை சிகரங்கள், குப்ரேட் சூப்பர் கண்டக்டரில் உள்ள குவாசி துகள்களின் சான்றுகள் படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளன. 1 (அ). டேபிள்-டாப் லேசரிலிருந்து குறைந்த ஃபோட்டான் ஆற்றலில் சின்க்ரோட்ரான் ஏஆர்பிஇஎஸ்-இலிருந்து அதிக ஆற்றலுடன் சிதறல் ஆற்றல்-வேக உறவின் முதல் ஒப்பீடு இதுவாகும். (அ) இல் மிகவும் தெளிவான சிதறல் மேம்பட்ட ஆற்றல்-வேகத் தெளிவுத்திறனையும், ஒட்டுமொத்த பட்டை சிதறல், ஃபெர்மி மேற்பரப்பு, சூப்பர் கண்டக்டிங் இடைவெளிகள் மற்றும் எலக்ட்ரான்-போசான் இணைப்பின் மூலம் ஒரு கிங்க் போன்ற பல முக்கியமான இயற்பியல் அம்சங்களையும் வெற்றிகரமாக இனப்பெருக்கம் செய்வதைக் குறிக்கிறது. எதிர்காலத்தில் லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் பரவலாக பயன்படுத்தப்படும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, இது அமுக்கப்பட்ட பொருள் இயற்பியலாளர்களுக்கு கவர்ச்சியான பொருட்களில் உள்ள சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டி தன்மை மற்றும் அதிநவீன வழக்கமான சோதனை நுட்பங்களால் கவனிக்க முடியாத பிற புதுமையான பண்புகள் பற்றிய விரிவான தகவல்களைப் பெற உதவும். நேரம்-தீர்க்கப்பட்ட எலக்ட்ரான் இயக்கவியல் ஃபெம்டோசெகண்ட் லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் நேர-தீர்க்கப்பட்ட ஒளி உமிழ்வு மற்றும் இரண்டு-ஃபோட்டான் ஒளிமின்னழுத்த நிறமாலையில் உற்சாகமான நிலைகளுக்கு நிறமாலை அணுகலை வழங்க நீட்டிக்கப்படலாம். முதல் ஃபோட்டானுடன் ஒரு எலக்ட்ரானை உயர் மட்ட உற்சாக நிலைக்கு செலுத்துவதன் மூலம், நேரத்தின் செயல்பாடாக மின்னணு நிலைகளின் அடுத்தடுத்த பரிணாமம் மற்றும் தொடர்புகளை இரண்டாவது ஆய்வு ஃபோட்டானால் ஆய்வு செய்யலாம். பாரம்பரிய பம்ப்-ஆய்வு சோதனைகள் பொதுவாக சில ஒளியியல் மாறிலிகளின் மாற்றங்களை அளவிடுகின்றன, அவை தொடர்புடைய இயற்பியலைப் பெறுவதற்கு மிகவும் சிக்கலானதாக இருக்கலாம். ஏஆர்பிஇஎஸ் மின்னணு கட்டமைப்புகள் மற்றும் தொடர்புகள் பற்றிய நிறைய விரிவான தகவல்களை வழங்க முடியும் என்பதால், பம்ப்-ப்ரோப் லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் சப்-பைக்கோசெகண்ட் தெளிவுத்திறனுடன் மிகவும் சிக்கலான மின்னணு அமைப்புகளை ஆய்வு செய்யலாம். சுருக்கம் மற்றும் முன்னோக்கு மேற்பரப்பு சிதறல் ஆற்றல்-வேக நிறமாலையை ஆராய கோண-தீர்க்கப்பட்ட சின்க்ரோட்ரான் கதிர்வீச்சு ஆதாரம் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்பட்டாலும், லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் மிகவும் விரிவான மற்றும் மொத்த-உணர்திறன் கொண்ட மின்னணு கட்டமைப்புகளை மிகவும் சிறந்த ஆற்றல் மற்றும் வேகத் தெளிவுத்திறனுடன் வழங்க முடியும், அவை வலுவாக ஒன்றோடொன்று தொடர்புடைய மின்னணு அமைப்பு, உயர்-டிசி சூப்பர் கண்டக்டர் மற்றும் கவர்ச்சியான குவாண்டம் அமைப்பில் கட்ட மாற்றம் ஆகியவற்றைப் படிக்க விமர்சன ரீதியாக அவசியம். கூடுதலாக, இயக்கத்திற்கான குறைந்த செலவுகள் மற்றும் அதிக ஃபோட்டான் ஃப்ளக்ஸ் ஆகியவை லேசர் அடிப்படையிலான ஏஆர்பிஇஎஸ் கையாளப்படுவதை எளிதாக்குகின்றன மற்றும் மேற்பரப்பு அறிவியலுக்கான பிற நவீன சோதனை நுட்பங்களில் மிகவும் பல்துறை மற்றும் சக்திவாய்ந்தவை. மேலும் காண்க ஃபோட்டோமிஷன் ஏஆர்பிஇஎஸ் இரண்டு ஃபோட்டோ எலக்ட்ரான் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி சின்க்ரோட்ரான் கதிர்வீச்சு எக்ஸ்பிஎஸ் ஃபெர்மி மேற்பரப்பு லேசர் கட்டுரைகளின் பட்டியல் குறிப்புகள் உமிழ்வு ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி சின்க்ரோட்ரான் தொடர்பான நுட்பங்கள்