En vakuum-ultraviolet laser med submikrometer-spot til rumligt opløst fotoemissionsspektroskopi

Hvis vakuum ultraviolette lasere kan fokuseres til en lille stråleplet, det vil tillade undersøgelse af mesoskopiske materialer og strukturer og muliggøre fremstilling af nanoobjekter med fremragende præcision. Mod dette mål, Forsker i Kina opfandt et 177 nm VUV-lasersystem, der kan opnå et sub-mikron brændpunkt ved en lang brændvidde. Dette system kan omudstyres til brug i lavpris vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) og kan være til gavn for kondenseret stofs fysik.

Den hurtige udvikling af todimensionelle kvantematerialer, såsom snoet dobbeltlagsgrafen, monolag kobber superledere, og quantum spin Hall materialer, har vist både vigtige videnskabelige implikationer og lovende anvendelsespotentiale. For at karakterisere den elektroniske struktur af disse materialer/enheder, ARPES bruges almindeligvis til at måle energien og momentum af elektroner fotoemitteret fra prøver belyst af røntgen- eller vakuum ultraviolette (VUV) lyskilder. Selvom den røntgenbaserede rumligt opløste ARPES har den højeste rumlige opløsning (~100 nm), der drager fordel af den relativt korte bølgelængde, dens energiopløsning er typisk middelmådig (> 10 meV), hvilket gør det vanskeligt at visualisere de fine detaljer i den elektroniske struktur i mange nye kvantematerialer. Komplementær til røntgenlyskilder, VUV-laserbaserede lyskilder kan tilbyde meget bedre energiopløsning (~0,2 meV), dybere detektionsdybde og lavere omkostninger (sammenlignet med synkrotronlyskilder). Imidlertid, den længere bølgelængde af VUV-lyskilden forringer også dens rumlige opløsning (typisk flere mikrometer til dato), gør den utilstrækkelig til at karakterisere små flageprøver eller rumlig inhomogen (f.eks. magnetiske, elektroniske eller sammensatte domæner) materialer.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , Mao og hans medarbejdere har udviklet et 177 nm VUV-lasersystem til scanning af fotoemissionsmikroskopi med et brændpunkt på <1 μm ved en lang brændvidde (~45 mm) ved at bruge en sfærisk-aberrationsfri zoneplade. Baseret på denne mikroskopi, de byggede også en off-axis fluorescensdetektionsplatform, der udviser overlegen evne til konventionelle lasersystemer til at afsløre subtile egenskaber ved materialer.

Sammenlignet med den nuværende DUV-laserkilde med rumlig opløsning brugt til ARPES, 177 nm VUV-laserkilden kunne hjælpe ARPES-målingen med at dække et større momentum og har den bedre energiopløsning, men der er stadig mange udfordringer og vanskeligheder for at få den til at have fremragende rumlig opløsning:

"Først, alvorlig sfærisk aberration findes i en høj-NA refraktionslinse. Sekund, kun meget begrænsede materialer kan bruges i optik til at korrigere den sfæriske aberration på grund af den stærke absorption ved VUV-frekvenser. Tredje, det er praktisk talt svært at kontrollere kvaliteten (kollimation, ensartethed og effektiv diameter) af den indfaldende stråle og justeringen mellem optiske elementer, da VUV-strålen er usynlig, og al optik skal placeres i vakuum eller et forseglet kammer fyldt med inert gas."

Dette VUV laserfokuseringssystem indeholder fem funktionelle dele:en 355 nm laser, en anden harmonisk generation, en stråleformningsfase, en polariseringsjusteringsdel og et fokuseringselement af den flade linse.

"For at undgå den sfæriske aberration, vi introducerer plane diffraktive linser, der kan realisere stram fokusering af lys ved at finjustere interferensen fra flere stråler", tilføjede de.

"Dette VUV-lasersystem har ultralang brændvidde (~45 mm), sub-mikron rumlig opløsning (~760 nm), ultrahøj energiopløsning (~0,3 meV) og ultrahøj lysstyrke (~355 MWm-2). Det kan anvendes direkte på videnskabelige forskningsinstrumenter såsom fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM), vinkelopløst fotoelektronspektrometer (ARPES) og dyb ultraviolet laser Raman-spektrometer. På nuværende tidspunkt dette system er blevet forbundet med ARPES på ShanghaiTech University, der afslører de fine energibåndegenskaber af forskellige nye kvantematerialer såsom kvasi-endimensionelle topologiske superledere TaSe ₃ , magnetiske topologiske isolatorer (MnBi ₂ Te ₄ )(Bi ₂ Te ₃ )m familie, etc, " konkluderede forskerne.