Project

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High-performance and low-temperature angle-resolved photoemission spectroscopy station (ARPES)

English title High-performance and low-temperature angle-resolved photoemission spectroscopy station (ARPES)
Applicant Shi Ming
Number 164016
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.08.2016 - 31.03.2018
Approved amount 450'000.00
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Keywords (7)

topological insulators; angle-resolved photoemission spectroscopy; surface science; strongly correlated system; unconventional superconductivity; electronic structure; electronic excitations

Lay Summary (German)

Lead
Ein Photoemissionsspektroskop mit hoher Energie und Winkelauflösung (ARPES) ist ein einzigartiges Instrument um elektronische Anregungszustände aufgelöst nach Impuls und Energie zu messen. Es ist die effizienteste Methode um die elektronische Bandstruktur in Festkörpern und an Oberflächen zu messen und gibt Zugriff auf detaillierte Informationen über Elektron-Elektron Korrelationen und die Kopplung zwischen Elektronen und kollektiven Anregungen. Aufgrund des weiten Energiespektrums der Photonen, des hohen Photonenflusses sowie deren variabler Polarisation haben Synchrotron basierte ARPES Systeme viele Vorteile gegenüber anderen, laborbasierten, ARPES Stationen. ARPES ist weit verbreitet im Feld der Materialwissenschaften und Festkörperphysik. Zum Beispiel, im Gebiet der unkonventionellen Supraleiter und topologischen Materialien hat ARPES einen erheblichen Beitrag zum Verständnis der grundlegenden Physik und der Realisierung neuer Materialien geleistet.
Lay summary

In diesem Projekt werden die folgenden Komponenten der ARPES Station an der Surface and Interface Strahllinie an der SLS modernisiert:

 

  1. Neuer, hoch-auflösender ARPES Analysator. Im Gegensatz zu herkömmlichen, hemisphärischen Analysatoren welche Photoelektronen entlang einer Linie im Impulsraum messen sind neuere Analysatoren dazu in der Lage in einem Winkelbereich von 24 x 30 Grad  zu messen, ohne dass dabei die Probenposition verändert werden muss. Mit dem neuen Analysator wird eine verbesserte Energieauflösung erreicht werden, der Einfangswinkel erhöht werden, Messungen an sehr kleinen Proben und generell, ganz neue Arten von Messungen ermöglicht werden.

 

  1. Neuer, 6-Achsen, Tieftemperaturmanipulator: Die bisher an den meisten, Synchrotron-basierten ARPES Stationen existierenden Tieftemperaturmanipulatoren erreichen eine Mindesttemperatur von ca. 10 K. Wir werden einen neuen ARPES Manipulator entwickeln, welcher Temperaturen im Bereich von 2 - 3 K erreichen wird. Das System wird mit flüssigem 4He betrieben und 6 Freiheitsgrade (3 Translations- und 3 Rotationsachsen) haben um eine grosse Vielfalt von Messungen zu ermöglichen.

 

  1. Neue Messkammer mit internem Strahlenabschirmung und interner Kryopumpe. Um den Temperaturbereich von 2 – 3 K zu erreichen wird der Manipulator in einer thermischen Strahlenabschirmung, welche sich in einer Ultrahochvakuumkammer befindet, operieren. Zusätzlich zur kühlenden Unterstützung des Manipulators wird die Abschirmung auch als leistungsfähige Kryopumpe operieren, um restliche Gase aus der Kammer zu entfernen. Die dadurch entstehende ultra-reine Probenumgebung wird wesentliche Vorteile für dies stark oberflächen-sensitive Messmethode, ARPES, bringen.

 

Dieses Projekt ist entscheidend um unsere Position als eine weltweit führende ARPES Strahllinie zu behalten, welche eine modernste Kombination von Strahllinie, Probenumgebung und ARPES Spektrometer zur Verfügung stellt. Durch die Realisierung dieses Projektes entsteht eine leistungsfähige tieftemperatur-ARPES Station welche nicht nur für PSI-interne Forschungsprojekte genutzt, sondern auch für externe Benutzergruppen zur Verfügung stehen wird.
Direct link to Lay Summary Last update: 03.08.2016

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
DEVELOPMENT OF A NEW SUB-4K ARPES ENDSTATION AT PSI
TrutmannD., MaagS., NueL., PfisterA., SchwarbA., ZehnderK. (2018), DEVELOPMENT OF A NEW SUB-4K ARPES ENDSTATION AT PSI, in MEDSI2018 Proccedings, JACoW Publishing, Geneva, Switzerland.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Joel Mesot @ PSI, EPFL & ETHZ Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Exchange of personnel
Dr. B. van den Brandt, Dr. M. Bartkowiak and Dr. M. Kenzelmann @ LDM at PSI Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Prof. H. Ding, Prof. X. Dai and Prof. N. L. Wang @ Institute of Physics (IOP), CAS China (Asia)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Exchange of personnel
Dr. E. Pomjakushina and Prof. K. Conder @ LDM at PSI Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Dr. L. Patthey @ SwissFEL at PSI Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Dr. V. N. Strocov and Dr. T. Schmitt @ SLS of Paul Scherrer Institute Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. J. H. Dil @ EPFL & PSI Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
159678 ARPES studies of iron-pnictide and BKBO superconductors 01.05.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

We propose a next-generation experimental station for angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) at the Surface and Interface Spectroscopy (SIS) beamline of the Swiss Light Source (SLS). The endstation will be able to acquire high-resolution photoemission spectra (2-3 meV) with high-detection efficiency while providing variable temperature from 300 K down to 2-3 K. The system will also achieve dramatically improved vacuum conditions compared to any existing synchrotron-based ARPES experiment. Additionally, a new scanning mode will enable novel types of measurements, extend the angular range of operation, and greatly simplify experiments on very small samples. However, our design will still support handling and scanning over large samples, such as tailored thin films and heterostructures, up to 10x10 mm2. It will also retain six motion degrees of freedom - a signature feature of the existing station at SIS and a proven advantage for many experiments. The new capabilities will grant access to a wide range of interesting and technologically relevant quantum phenomena in the very low energy and temperature regime. Achieving these new levels of resolution and temperature performance in such a versatile, powerful and easy-to-use instrument will redefine the “workhorse” ARPES endstation for a new generation and assure SIS’s status in the coming years as one of the premier beamlines in the field. The key technical aspects of our proposal are:1.New high-resolution ARPES analyzer. Standard hemispherical analyzers record photoe-lectrons along a selected line in momentum space, but a new analyzer available from VG Scienta can collect a 24 x 30 degree cone with the sample in a fixed position. The new analyzer will simultaneously achieve increased energy resolution, enable novel types of measurements, extend the accessible angle/momentum range of the experiments, and facilitate measurements on very small samples.2.New low-temperature 6-axis sample manipulator. So far, the lowest temperature of most synchrotron-based ARPES stations is ?10 K. We will develop a new ARPES manipulator with the capability to perform ARPES measurements at 2 - 3 K. The system will use liquid 4He and feature 6 degrees of freedom (three translational, plus three rotational) to enable/simplify a wide variety of fast, flexible, powerful experiments. 3.New measurement chamber with internal radiation shielding and cryopumping. To achieve the 2-3 K performance target, the manipulator will operate inside a thermal radiation shield suspended within the ultrahigh vacuum analysis chamber. In addition to enabling the manipulator to reach such low temperatures, the shielding will also act as a powerful cryopump to remove much of the chamber’s residual gas. The resulting ultra-clean sample environment will have major benefits for the highly surface-sensitive tech-nique of ARPES.As a cutting-edge experimental tool that also aims at high-throughput, user-friendliness, and versatility, the envisioned endstation takes into account the recommendations of an expert panel convened in 2014 to advise on SIS’s future. Our proposal is widely supported by research groups in Swiss universities (see the appendix), as well as by the international user community, and several letters of support are attached. Moreover, the plans here are fully mindful of an ongoing project within PSI to develop a new imaging spin detector for ARPES, as well as the technical advantages that stand to be gained by a possible “SLS 2.0” upgrade. The proposed endstation would be well-positioned to benefit from either of these developments, if and when they are realized, further putting SIS on a long-term strategic track to maintain a world-class level of performance in ARPES.
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