Laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy
لیزر پر مبنی زاویہ حل شدہ فوٹو ایمیشن سپیکٹروسکوپی زاویہ حل شدہ فوٹو ایمیشن سپیکٹروسکوپی کی ایک شکل ہے جو لیزر کو روشنی کے منبع کے طور پر استعمال کرتی ہے۔ فوٹو ایمیشن سپیکٹروسکوپی سطح کی طبیعیات کا مطالعہ کرنے کے لیے ایک طاقتور اور حساس تجرباتی تکنیک ہے۔ یہ فوٹو الیکٹرک اثر پر مبنی ہے جس کا مشاہدہ اصل میں 1887 میں ہینرک ہرٹز نے کیا تھا اور بعد میں البرٹ آئن سٹائن نے 1905 میں وضاحت کی کہ جب کوئی مواد روشنی سے چمکتا ہے تو الیکٹران فوٹون کو جذب کر سکتے ہیں اور حرکی توانائی کے ساتھ مواد سے نکل سکتے ہیں:، جہاں واقع فوٹون توانائی ہے، جو مواد کا ورک فنکشن ہے۔ چونکہ خارج ہونے والے الیکٹرانوں کی حرکی توانائی اندرونی الیکٹرانک ڈھانچے سے بہت زیادہ وابستہ ہوتی ہے، اس لیے فوٹو الیکٹران سپیکٹروسکوپی کا تجزیہ کرکے کوئی بھی مواد کی بنیادی جسمانی اور کیمیائی خصوصیات کا ادراک کر سکتا ہے، جیسے کہ مقامی بندھن کی قسم اور ترتیب، الیکٹرانک ڈھانچہ اور کیمیائی ساخت۔ اس کے علاوہ، چونکہ مختلف رفتار والے الیکٹران نمونے سے مختلف سمتوں میں فرار ہو جائیں گے، اس لیے زاویہ سے حل شدہ فوٹو ایمیشن سپیکٹروسکوپی کو وسیع پیمانے پر منتشر توانائی-مومنٹم سپیکٹرم فراہم کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ فوٹو ایمیشن کا تجربہ 20-100 ای وی کی عام فوٹون توانائی کے ساتھ سنکروٹران تابکاری روشنی کے منبع کا استعمال کرتے ہوئے کیا جاتا ہے۔ سنکروٹرون روشنی دو جہتی سطح کے نظاموں کی تحقیقات کے لیے مثالی ہے اور واقع فوٹون توانائی کو مسلسل تبدیل کرنے کے لیے بے مثال لچک پیش کرتی ہے۔ تاہم، اس ایکسلریٹر کی تعمیر اور اسے برقرار رکھنے کے لیے زیادہ لاگت، بیم ٹائم کے لیے زیادہ مسابقت کے ساتھ ساتھ آپریٹنگ فوٹون انرجی (20-100 eV) کے ارد گرد مواد میں یونیورسل کم از کم الیکٹران کا مطلب آزاد راستہ ہے جو تین جہتی بلک میٹریل حساسیت میں بنیادی رکاوٹ کا باعث بنتا ہے، زاویہ سے حل شدہ فوٹو ایمیشن سپیکٹروسکوپی کے لیے ایک متبادل فوٹون ماخذ مطلوب ہے۔ اگر فیمٹوسیکنڈ لیزرز کا استعمال کیا جاتا ہے، تو اس طریقہ کو پمپ پروب اسکیم متعارف کروا کر پرجوش الیکٹرانک حالتوں اور الیکٹران ڈائنامکس تک رسائی حاصل کرنے کے لیے آسانی سے بڑھایا جا سکتا ہے، دو فوٹون فوٹو الیکٹران سپیکٹروسکوپی بھی دیکھیں۔ لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس بیک گراؤنڈ ٹیبل-ٹاپ لیزر پر مبنی زاویہ حل شدہ فوٹو ایمیشن سپیکٹروسکوپی کچھ تحقیقی گروپوں نے تیار کی تھی۔ کولوراڈو یونیورسٹی، بولڈر کے ڈینیل ڈیساؤ نے پہلا مظاہرہ کیا اور اس تکنیک کو سپر کنڈکٹنگ سسٹم کو تلاش کرنے کے لیے استعمال کیا۔ یہ کامیابی نہ صرف لاگت اور سہولت کے سائز کو بہت کم کرتی ہے، بلکہ سب سے اہم بات یہ ہے کہ کم فوٹون توانائی، عام طور پر 6 ای وی، اور اس کے نتیجے میں نمونے میں طویل فوٹو الیکٹران کا مطلب آزاد راستہ (2-7 این ایم) کی وجہ سے بے مثال اعلی بلک حساسیت فراہم کرتی ہے۔ یہ فائدہ مضبوطی سے مربوط مواد اور ہائی-ٹی سی سپر کنڈکٹرز کے مطالعہ کے لیے انتہائی فائدہ مند اور طاقتور ہے جس میں سب سے اوپر کی تہوں سے فوٹو الیکٹرانوں کی طبیعیات بلک سے مختلف ہو سکتی ہے۔ بلک حساسیت میں تقریبا ایک ترتیب کی شدت میں بہتری کے علاوہ، مومنٹم ریزولوشن میں پیشرفت بھی بہت اہم ہے: جب واقع فوٹون کی توانائی کم ہوتی ہے تو فوٹو الیکٹران اخراج کے زاویے میں زیادہ وسیع پیمانے پر منتشر ہو جائیں گے۔ دوسرے لفظوں میں، الیکٹران سپیکٹرومیٹر کے دیئے گئے کونیی ریزولوشن کے لیے، کم فوٹون توانائی زیادہ مومنٹم ریزولوشن کی طرف لے جاتی ہے۔ 6 ای وی لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس کا عام مومنٹم ریزولوشن 50 ای وی سنکروٹران ریڈی ایشن اے آر پی ای ایس سے تقریبا 8 گنا بہتر ہے۔ اس کے علاوہ، کم فوٹون توانائی کی وجہ سے بہتر مومنٹم ریزولوشن کے نتیجے میں اے آر پی ای ایس کے لیے کم کے-اسپیس قابل رسائی ہوتی ہے جو زیادہ عین مطابق سپیکٹرم تجزیہ کے لیے مددگار ہے۔ مثال کے طور پر، 50 ای وی سنکروٹران اے آر پی ای ایس میں، پہلے 4 برلوئن زونوں کے الیکٹران پرجوش اور بکھرے ہوئے ہوں گے تاکہ فوٹو الیکٹران تجزیہ کے پس منظر میں حصہ ڈال سکیں۔ تاہم، 6 ای وی اے آر پی ای ایس کی چھوٹی رفتار صرف پہلے برلوئن زون کے کچھ حصے تک رسائی حاصل کرے گی اور اس لیے صرف کے-اسپیس کے چھوٹے علاقے سے ان الیکٹرانوں کو پس منظر کے طور پر نکالا اور پتہ لگایا جا سکتا ہے۔ کمزور جسمانی مقداروں، خاص طور پر ہائی-ٹی سی سپر کنڈکٹرز کی پیمائش کرتے وقت کم غیر لچکدار بکھرنے کا پس منظر مطلوب ہے۔ تجرباتی احساس پہلے 6 ای وی لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس سسٹم میں کیر موڈ لاکڈ ٹی آئی کا استعمال کیا گیا: نیلم آسکیلیٹر کا استعمال کیا جاتا ہے اور اسے ایک اور فریکوئنسی ڈبل این ڈی کے ساتھ پمپ کیا جاتا ہے: 5 ڈبلیو کا واناڈیٹ لیزر اور پھر 70 ایف ایس اور 6 این جے دال پیدا کرتا ہے جو 1 میگاہرٹز تکرار کی شرح کے ساتھ تقریبا 840 این ایم (1.5 ای وی) ٹیون ایبل ہوتے ہیں۔ روشنی کی غیر لکیری دوسری ہارمونک نسل کے دو مراحل β-barium borate میں قسم I مرحلے کے ملاپ کے ذریعے انجام دیے جاتے ہیں اور پھر 210 nm (~ 6 eV) کے ساتھ چوگنی روشنی پیدا کی جاتی ہے اور آخر میں توجہ مرکوز کی جاتی ہے اور نمونے کے الیکٹرانک ڈھانچے کی تحقیقات کے لیے کم توانائی والے فوٹون ماخذ کے طور پر الٹرا ہائی ویکیوم چیمبر میں بھیج دی جاتی ہے۔ پہلے مظاہرے میں، ڈیساؤ کے گروپ نے دکھایا کہ عام اگلا ہارمونک سپیکٹرم گوسی پروفائل کے ساتھ بہت اچھی طرح فٹ بیٹھتا ہے جس کی مکمل چوڑائی نصف زیادہ سے زیادہ 4.7 میگاواٹ کے ساتھ ساتھ 200 مائیکرو واٹ پاور پیش کرتا ہے۔ اعلی بہاؤ (~ 1014-1015 فوٹون/سیکنڈ) اور تنگ بینڈوتھ کی کارکردگی لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس کو سنکروٹران تابکاری اے آر پی ای ایس سے مغلوب کر دیتی ہے حالانکہ بہترین انڈولیٹر بیم لائنز استعمال کی جاتی ہیں۔ ایک اور قابل توجہ نقطہ یہ ہے کہ کوئی بھی چوگنی روشنی کو 1/4 لہر پلیٹ یا 1/2 لہر پلیٹ سے گزر سکتا ہے جو اے آر پی ای ایس میں سرکلر پولرائزیشن یا کوئی لکیری پولرائزیشن لائٹ پیدا کرتا ہے۔ چونکہ روشنی کا پولرائزیشن سگنل ٹو بیک گراؤنڈ تناسب کو متاثر کر سکتا ہے، روشنی کے پولرائزیشن کو کنٹرول کرنے کی صلاحیت سنکروٹران اے آر پی ای ایس کے مقابلے میں ایک بہت اہم بہتری اور فائدہ ہے۔ مذکورہ بالا سازگار خصوصیات کے ساتھ، بشمول آپریٹنگ اور دیکھ بھال کے لیے کم لاگت، بہتر توانائی اور مومنٹم ریزولوشن، اور زیادہ بہاؤ اور فوٹون ماخذ کے پولرائزیشن کنٹرول میں آسانی، لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس بلاشبہ ایک مثالی امیدوار ہے جسے زیادہ نفیس تجربات کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ایپلی کیشنز ہائی-ٹی سی سپر کنڈکٹر لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس کی طاقتور صلاحیت کو ظاہر کرنے کا ایک طریقہ ہائی ٹی سی سپر کنڈکٹر کا مطالعہ کرنا ہے۔ مندرجہ ذیل اعداد و شمار کے حوالہ جات اس اشاعت کا حوالہ دیتے ہیں۔ شکل۔ 1 برلوئن زون کی نوڈل سمت کے ساتھ ساتھ سپر کنڈکٹنگ Bi2Sr2CaCu2O8 + d کے بائنڈنگ انرجی بمقابلہ مومنٹم کے تجرباتی بازی کے تعلق کو ظاہر کرتا ہے۔ شکل۔ 1 (ب) اور شکل۔ 1 (سی) بالترتیب 28 ای وی اور 52 ای وی کے سنکروٹران لائٹ سورس کے ذریعے بہترین انڈولیٹر بیم لائنز کے ساتھ لیا جاتا ہے۔ نمایاں طور پر تیز سپیکٹرم چوٹیاں، طاقتور لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس کے ذریعہ کپریٹ سپر کنڈکٹر میں قوسی پارٹیکلز کا ثبوت شکل میں دکھایا گیا ہے۔ 1 (a)۔ یہ سنکروٹرون اے آر پی ای ایس سے زیادہ توانائی کے ساتھ ٹیبل ٹاپ لیزر سے کم فوٹون توانائی پر منتشر توانائی-مومنٹم تعلق کا پہلا موازنہ ہے۔ (a) میں زیادہ واضح منتشر توانائی کی رفتار کے بہتر ریزولوشن کے ساتھ ساتھ بہت سی اہم جسمانی خصوصیات کی نشاندہی کرتا ہے، جیسے کہ مجموعی بینڈ منتشر، فرمی سطح، سپر کنڈکٹنگ گیپس، اور الیکٹران-بوسون جوڑے کے ذریعہ ایک کنک، کامیابی کے ساتھ دوبارہ پیش کیے جاتے ہیں۔ یہ پیش گوئی کی جا سکتی ہے کہ مستقبل قریب میں لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس کو بڑے پیمانے پر استعمال کیا جائے گا تاکہ گھنے مادے کے طبیعیات دانوں کو غیر ملکی مادوں میں سپر کنڈکٹیویٹی کی نوعیت کے بارے میں مزید تفصیلی معلومات حاصل کرنے کے ساتھ ساتھ دیگر نئی خصوصیات حاصل کرنے میں مدد ملے جن کا مشاہدہ جدید ترین روایتی تجرباتی تکنیکوں کے ذریعے نہیں کیا جا سکتا۔ وقت سے حل شدہ الیکٹران ڈائنامکس فیمٹوسیکنڈ لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس کو وقت سے حل شدہ فوٹو ایمیشن اور دو فوٹون فوٹو الیکٹران سپیکٹروسکوپی میں پرجوش حالتوں تک سپیکٹروسکوپک رسائی دینے کے لیے بڑھایا جا سکتا ہے۔ پہلے فوٹون کے ساتھ ایک الیکٹران کو اعلی سطح کی پرجوش حالت میں پمپ کرنے سے، وقت کی تقریب کے طور پر الیکٹرانک ریاستوں کے بعد کے ارتقاء اور تعاملات کا مطالعہ دوسرے پروبنگ فوٹون کے ذریعے کیا جا سکتا ہے۔ روایتی پمپ پروب تجربات عام طور پر کچھ نظری مستقلات کی تبدیلیوں کی پیمائش کرتے ہیں، جو متعلقہ طبیعیات کو حاصل کرنے کے لیے بہت پیچیدہ ہو سکتے ہیں۔ چونکہ اے آر پی ای ایس الیکٹرانک ڈھانچوں اور تعاملات کے بارے میں بہت ساری تفصیلی معلومات فراہم کر سکتا ہے، اس لیے پمپ پروب لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس ذیلی تیز سیکنڈ ریزولوشن کے ساتھ زیادہ پیچیدہ الیکٹرانک نظاموں کا مطالعہ کر سکتا ہے۔ خلاصہ اور نقطہ نظر اگرچہ زاویہ سے حل شدہ سنکروٹرون تابکاری کا ذریعہ وسیع پیمانے پر سطح کے منتشر توانائی-مومنٹم سپیکٹرم کی تحقیقات کے لیے استعمال ہوتا ہے، لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس بہت بہتر توانائی اور مومنٹم ریزولوشن کے ساتھ زیادہ تفصیلی اور بلک حساس الیکٹرانک ڈھانچے بھی فراہم کر سکتا ہے، جو مضبوط طور پر مربوط الیکٹرانک سسٹم، ہائی-ٹی سی سپر کنڈکٹر، اور غیر ملکی کوانٹم سسٹم میں فیز ٹرانزیشن کا مطالعہ کرنے کے لیے تنقیدی طور پر ضروری ہیں۔ اس کے علاوہ، آپریٹنگ کے لیے کم لاگت اور زیادہ فوٹون فلکس لیزر پر مبنی اے آر پی ای ایس کو ہینڈل کرنا آسان بناتا ہے اور سطح سائنس کے لیے دیگر جدید تجرباتی تکنیکوں کے درمیان زیادہ ورسٹائل اور طاقتور بناتا ہے۔ فوٹو ایمیشن اے آر پی ای ایس دو فوٹون فوٹو الیکٹران سپیکٹروسکوپی سنکروٹران تابکاری ایکس پی ایس فرمی سطح لیزر مضامین کی فہرست حوالہ جات اخراج سپیکٹروسکوپی سنکروٹران سے متعلق تکنیک