Linia badawcza UARPES w synchrotronie Solaris

Rozpoczęło się uruchamianie linii badawczej UARPES w synchrotronie Solaris.
11 czerwca 2016 zespół w składzie: Piotr Ciochoń (WFAiS), Mariusz Garb (WFAiS), Karolina Szamota-Leandersson (Solaris) oraz Jacek Kołodziej (WFAiS i Solaris), przeprowadził typowy pomiar do jakiego została zaprojektowana linia badawcza UARPES w synchrotronie Solaris. Testowano masywnie równoległy tryb pomiaru kątowo-energetycznych rozkładów fotoelektronów. Zmierzono wycinek struktury pasmowej grafenu w okolicy tzw. punktu Diraca.
W trybie tym realizowany jest pomiar rozkładów energetycznych fotoelektronów wzbudzonych monochromatycznym promieniowaniem, wzdłuż bardzo wielu kierunków z zakresu wybranego kąta bryłowego, którego wierzchołek jest określony przez punkt próbki, na który pada wiązka fotonów. Kierunki pomiaru są następnie transformowane na pędy fotoelektronów. Ze względu na zasady zachowania istnieją proste związki pomiędzy energią i pędem fotoelektronu a energią i (kwazi)pędem elektronu który istniał w próbce przed procesem fotoelektrycznym.
Kilka słów wyjaśnienia po co potrzebne są takie pomiary. Służą one określeniu struktury elektronowej materii w sposób doświadczalny. Struktura elektronowa to układ pasm stanów elektronowych – dlatego alternatywnie nazywana jest strukturą pasmową. Zasadniczo wszystkie właściwości fizykochemiczne materiałów (mechaniczne, optyczne, elektryczne, termiczne) mają związki z elektronową strukturą pasmową – dlatego pomiary tego typu są bardzo ważne.
Pasma stanów złożone są z pojedynczych stanów kwantowych. Każdy z tych stanów jest określony przez unikalny zestaw liczb kwantowych: energię, pęd (lub alternatywnie wektor falowy) oraz spin. Pasmo stanów elektronowych odpowiada pewnej figurze geometrycznej, której wymiarowość jest zgodna z wymiarowością przestrzeni pędu powiększonej o 1 (energia). Spin przyjmuje tylko wartości ±1/2 a zatem może podwoić liczbę pasm (jeśli nie ma degeneracji) ale nie zwiększa ich wymiarowości. Przykładowo elektrony grafenu są uwięzione na płaszczyźnie. Przestrzeń ich pędów jest zatem dwuwymiarowa a pasma stanów są figurami trójwymiarowymi – zob. ilustrację na Rys. 1. poniżej. 


 
Rys. 1. Fragment pasma stanów elektronowych grafenu, wytworzonego poprzez grafityzację powierzchni SiC(0001), zmierzony na linii UARPES.  Aby uwidocznić trójwymiarową figurę przecięto ją dwoma płaszczyznami. Ten fragment struktury pasmowej nazywany jest stożkiem Diraca. Wierzchołek stożka to punkt Diraca. W okolicy tego punktu elektrony grafenu zachowują się jak cząstki bezmasowe -  zależność ich energii od pędu jest liniowa, podobnie jak dla fotonów. Parametry pomiaru: prąd elektronów w pierścieniu synchrotronu 40 mA (8% wartości docelowej); czas pomiaru: 4h 17 min; szerokość spektralna wiązki fotonów ~50 meV; rozdzielczość spektrometru energii fotoelektronów ~20 meV ; temperatura pokojowa.

Podsumowując, zdolność linii UARPES do masywnie równoległych pomiarów została potwierdzona. Efektywnie zmierzono ~20 000 kątowo rozdzielczych widm energetycznych w akceptowalnym czasie. Rozdzielczość energetyczna wiązki fotonów nie była bardzo duża jednak pomiar został wykonany przy niewielkim wypełnieniu pierścienia synchrotronu elektronami i na wstępnie wyjustowanej linii. Szacujemy, że czas potrzebny na zmierzenie analogicznego zestawu danych przy ekstremalnej rozdzielczości wiązki 1 meV, przy pełnym wypełnieniu i po końcowym wyjustowaniu linii będzie porównywalny. 

J. Kołodziej 22.06.2016

Link do materiału wideo