M. 나카야마, S. Toyohisa, A. 후쿠시마 감사 하 고 대 한 영 이시다 실험적인 체제를 지원 합니다. 우리는 기꺼이 자금 JSP Grantin-원조에서 프로젝트 번호 26287061를 통해 과학적 연구 (B)를 위한 대 한 젊은 과학자 (B) 프로젝트 번호를 통해 인정 15 K 17675. 이 작품 또한 일본의 문 부 과학성 (혁신적인 지역 "토폴로지 재료 과학," 부여 번호 16 H 00979) 및 JSP KAKENHI (보조금 번호 16 H 02209)에 의해 지원 되었다

1. 샘플 마운트 및 설치
<ol><li>1 × 1 × 0.5 m m의 대략적인 크기에 Bi2Se313 의 단일 크리스탈 샘플을 잘라 샘플 홀더를 샘플을 접착제로,3 , 사용 은색 기반 에폭시.</li>
	<li>샘플 표면에 스카치 테이프를 붙여 넣습니다. 참고: 스카치 테이프는 원자적 깨끗 한 표면을 얻기 위해 초고 진공 (UHV) 챔버에 샘플을 쪼개 사용 됩니다.</li>
	<li>로드 잠금에 잡지 샘플으로 샘플을 설치 하 고 로드 자물쇠의 압력은 1 × 10-5 아빠 보다 낮은 될 때까지 펌프를 시작</li>
</ol>2. 샘플 고착
<ol><li>로드 잠금 및 UHV 준비 챔버 사이 UHV 밸브를 엽니다.</li>
	<li>로드 잠금 챔버에 연결 되어 있는 선형/회전 피드스루를 사용 하 여 부하 바위 준비 약 실에 샘플 잡지를 이동 합니다.</li>
	<li>준비 실에 연결 하는 전송 막대에 의해 잡지 샘플에서 샘플을 선택 합니다.</li>
	<li>다시 넣어 샘플 잡지 로드 잠금 고 UHV 밸브를 닫습니다.</li>
	<li>준비 챔버의 압력 아래 5 × 10-7 아빠 될 때까지 기다립니다</li>
	<li>준비 실에서 동요 막대기를 사용 하 여 스카치 테이프를 껍질 하 고 쪼개 UHV 조건 샘플.</li>
</ol>3. 샘플 측정 위치로 전송
<ol><li>UHV 측정 챔버에 샘플을 전송 하 고 측정 챔버 장착 나사 드라이버에 의해 주요 gonio 단계를 샘플을 수정.</li>
	<li>측정 위치에 gonio 단계를 이동 하 고 마이크로미터 단계를 사용 하 여 정확 하 게는 분석기의 초점에 샘플 위치 이동.</li>
</ol>4. 7 eV-레이저 설치
<ol><li>Nd:YVO4 레이저를 켭니다. 참고: 레이저 120 MHz의 높은 반복 속도 355 nm 레이저 빛을 생성합니다.</li>
	<li>레이저 빔 셔터를 열고 레이저 KBBF 크리스털 및 177의 2 차 고조파 웨이브 통과 확인 nm (6.994 eV) 생성 됩니다.</li>
	<li>가변 감쇠기와 355 nm 레이저의 파워를 변경 하 여 7 eV-레이저의 파워를 최적화 합니다.</li>
</ol>5. ARPES 데이터 수집
<ol><li>데스크톱 컴퓨터에서 분석기 제어 소프트웨어를 엽니다. 참고: 우리는 전자 편향 제어 ScientaOmicron 분석기에 대 한 일반적인 프로그램은 "SES 소프트웨어"를 사용 합니다.</li>
	<li>설치메뉴에서 시퀀스 아래...를 선택 합니다 (그림 2, i.2-1 단계) 바.</li>
	<li>광전자 편향 된 페르미 표면 매핑을 수행 하 ARPES 구성 (그림 3, i.3-1 단계) 및 ARPES 매핑 목록 (그림 3, i.3-2 단계)에서 선택 합니다.</li>
	<li>(그림 3, i.3-3 단계)를 편집 을 클릭 하 고 0.5 ° (그림 3, i.3-4 단계)의 단계 크기는 방출 각도 θy 의 12 °-12 °에서 배열 하는 페르미 표면 매핑 구성. 참고: 전자 편향 된 반구형 분석기 샘플 회전 없이 페르미 표면 매핑할 수 있습니다.</li>
	<li>(그림 2, i.2-3 단계)을 실행 을 클릭 합니다.</li>
</ol>6. SARPES 데이터 수집
<ol><li>수동으로 SARPES 측정 분석기 입구 슬릿과 조리개 크기 (그림 1)를 포함 하 여 시스템 설정 변경.</li>
	<li>설치메뉴에서 시퀀스 아래...를 선택 합니다 (그림 2, i.2-2 단계) 바.</li>
	<li>목록 (그림 4, i.4-2 단계)에서 회전 구성 (그림 4, i.4-1 단계)와 정상 을 선택 하 고 확인 (그림 4, 단계 i.4-3)을 클릭 합니다.</li>
	<li>메뉴 모음 및 컨트롤 세타 DA30 (그림 5, i.5-1 단계)을 선택... (그림 5, i.5-2 단계) DA30 각도 (θx, θy) 구성에 대 한 설정 패널을 엽니다.</li>
	<li>선택 방출 각도 (θxθy) SARPES 스펙트럼 (그림 5, 단계 i.5-3)을 (-6 °, 0 °) =.</li>
	<li>VLEED 대상 특정 축 따라 양의 방향에 자력을 띠게 하 바이 폴라 콘덴서 뱅크를 제어 하 여 자기장을 적용 (α: x, y또는 z). 참고: 시스템에서이 프로세스는 명령 프롬프트 [그림 6 (a)]를 통해 할 수 있습니다.</li>
	<li>강도 스펙트럼 (그림 2, i.2-3 단계)을 실행 을 클릭 합니다.</li>
	<li>Α에 따라 음의 방향에서 VLEED 대상 끌다 강도 스펙트럼을 스캔을 시작 하는 자기장을 적용 합니다.</li>
	<li>스핀-분극 및 스핀 해결 스펙트럼을 계산 합니다.</li>
</ol>7. 스캔 빛 분극 의존
<ol><li>λ/2-파장판 정확 하 게 조정 7 eV-레이저의 빛 분극 스테핑 모터에 의해 제어의 각도 변경 합니다. 참고: 시스템에서이 프로세스는 명령 프롬프트 [그림 6 (b)]를 통해 할 수 있습니다.</li>
	<li>X, y 및 z 축에 대 한 스핀 해결 스펙트럼을 가져가 라.</li>
	<li>3 °의 단계 크기 102 °에 0 °에서 절반 파장판 각도 변화 빛 분극의 기능으로 스핀 해결 스펙트럼을 검사 합니다.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Damascelli, A., Hussain, Z., Shen, Z. -. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Angle-resolved+photoemission+studies+of+the+cuprate+superconductors.">Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors.</a> Rev. Mod. Phys. 75 (2), 473-541 (2003).</li><li>Qiao, S., Kimura, A., Harasawa, A., Sawada, M., Chung, J. -. G., Kakizaki, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+compact+electron+spin+polarimeter+with+a+high+efficiency.">A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency.</a> Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4390-4395 (1997).</li><li>Dil, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin+and+angle+resolved+photoemission+on+non-magnetic+low-dimensional+systems.">Spin and angle resolved photoemission on non-magnetic low-dimensional systems.</a> J. Phys. Condens. Matter. 21 (40), 403001 (2009).</li><li>Hoesch, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-polarized+Fermi+surface+mapping.">Spin-polarized Fermi surface mapping.</a> J. Electron Spectrosc. 124 (2), 263-279 (2002).</li><li>Souma, S., Takayama, S., Sugawara, K., Sato, T., Takahashi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrahigh-resolution+spin-resolved+photoemission+spectrometer+with+a+mini+Mott+detector.">Ultrahigh-resolution spin-resolved photoemission spectrometer with a mini Mott detector.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (9), 096101 (2010).</li><li>Okuda, T., Kimura, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-+and+angle-resolved+photoemission+of+strongly+spin-orbit+coupled+systems.">Spin- and angle-resolved photoemission of strongly spin-orbit coupled systems.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2), 021002 (2013).</li><li>Okuda, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+spin-polarized+photoemission+spectrometer+with+very+high+efficiency+and+energy+resolution.">A new spin-polarized photoemission spectrometer with very high efficiency and energy resolution.</a> Rev. Sci. Instrum. 79 (12), 123117 (2008).</li><li>Jozwiak, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high-efficiency+spin-resolved+photoemission+spectrometer+combining+time-of-flight+spectroscopy+with+exchange-scattering+polarimetry.">A high-efficiency spin-resolved photoemission spectrometer combining time-of-flight spectroscopy with exchange-scattering polarimetry.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (5), 053904 (2010).</li><li>Okuda, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+spin+resolved+spectroscopy+observation+machine+at+Hiroshima+Synchrotron+Radiation+Center.">Efficient spin resolved spectroscopy observation machine at Hiroshima Synchrotron Radiation Center.</a> Rev. Sci. Instrum. 82 (10), 103302 (2011).</li><li>Yaji, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+three-dimensional+spin-+and+angle-resolved+photoelectron+spectrometer+using+vacuum+ultraviolet+laser+light.">High-resolution three-dimensional spin- and angle-resolved photoelectron spectrometer using vacuum ultraviolet laser light.</a> Rev. Sci. Instrum. 87 (5), 053111 (2016).</li><li>Shimojima, T., Okazaki, K., Shin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-temperature+and+high-energy-resolution+laser+photoemission+spectroscopy.">Low-temperature and high-energy-resolution laser photoemission spectroscopy.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 072001 (2015).</li><li>Augustine, S., Mathai, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth,+morphology,+and+microindentation+analysis+of+Bi2Se3,+Bi1.8In0.2Se3,+and+Bi2Se2.8Te0.2+single+crystals.">Growth, morphology, and microindentation analysis of Bi2Se3, Bi1.8In0.2Se3, and Bi2Se2.8Te0.2 single crystals.</a> Mater. Res. Bull. 36 (13), 2251-2261 (2001).</li><li>Hasan, M. Z., Kane, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Colloquium:+Topological+insulators.">Colloquium: Topological insulators.</a> Rev. Mod. Phys. 82 (4), 3045-3067 (2010).</li><li>Ando, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Topological+insulator+materials.">Topological insulator materials.</a> J. Phys. Soc. Jpn. 82 (10), 102011 (2013).</li><li>Zhang, H., Liu, C. -. X., Qi, X. -. L., Dai, X., Fang, Z., Zhang, S. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Topological+insulators+in+Bi2Se3,+Bi2Te3+and+Sb2Te3+with+a+single+Dirac+cone+on+the+surface.">Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface.</a> Nature Phys. 5 (6), 438-442 (2009).</li><li>Cao, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+the+orbital+wavefunction+of+the+surface+states+in+three-dimensional+topological+insulators.">Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators.</a> Nature Phys. 9 (8), 499-504 (2013).</li><li>Zhang, H., Liu, C. -. X., Zhang, S. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-orbital+texture+in+topological+insulators.">Spin-orbital texture in topological insulators.</a> Phys. Rev. Lett. 111 (6), 066801 (2013).</li><li>Kuroda, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+control+over+three-dimensional+spin-polarization+for+the+spin-orbit+coupled+surface+state+of+Bi2Se3.">Coherent control over three-dimensional spin-polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3.</a> Phys. Rev. B. 94 (16), 165162 (2016).</li><li>Meier, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interference+of+spin+states+in+photoemission+from+Sb/Ag(111)+surface+alloys.">Interference of spin states in photoemission from Sb/Ag(111) surface alloys.</a> J Phys-Condens Mat. 23 (7), 072207 (2011).</li><li>Dil, J. H., Meier, F., Osterwalder, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rashba-type+spin+splitting+and+spin+interference+of+the+Cu(111)+surface+state+at+room+temperature.">Rashba-type spin splitting and spin interference of the Cu(111) surface state at room temperature.</a> J Electron Spectrosc. 201, 42-46 (2015).</li><li>Yaji, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-dependent+quantum+interference+in+photoemission+process+from+spin-orbit+coupled+states.">Spin-dependent quantum interference in photoemission process from spin-orbit coupled states.</a> Nature Commun. 8, 14588 (2017).</li><li>Noguchi, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+mapping+of+spin+and+orbital+entangled+wave+functions+under+interband+spin-orbit+coupling+of+giant+Rashba+spin-split+surface+states.">Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states.</a> Phys. Rev. B. 95 (6), 04111(R) (2017).</li></ol>

저자 들은 아무 경쟁 금융 관심사 선언 합니다.

ARPES 및 SARPES 기술 전자 밴드 구조 스핀-검색1,2및 밴드 매핑을 통해 공부에 대 한 일반적으로 사용 되었습니다. 이러한 일반적인 장점 위에 표시 된, 뿐만 아니라 레이저-SARPES 광 쌍 극 자 여기에 궤도 선택 규칙에 따라 시각화 하는 wavefunction 및 양자 스핀 간섭에 스핀-궤도 결합 효과 대 한 새로운 기술로 채택 될 수 있다 . 레이저의 편광 waveplates p-와 s사이의 기울어진된 선형 분극 하 여 쉽게 조작할 수 있습니다 에서처럼 그림 9 , 10,-분극19. 원칙적으로, 원형 및 심지어 타원 편광된 조명 얻은 고 레이저 SAPRES에 사용 될 수 있습니다. 이 다양 한 가변 편광 거의 노블 가스 방전 램프, 싱크 로트 론 방사선 등 기존 광원에서 얻은 것입니다. 따라서, 고해상도 3D 스핀 분극 변수 레이저와 SARPES의 함께 극적으로 광전자 방출 기술의 능력을 증가 시킵니다.
최고의 조건 하에서 레이저-SARPES를 수행 하려면 하나 해야 합니다 항상 공간 충전 효과12, 일반적으로 고 강도 레이저에서 방출 되는 고밀도 전자 패킷 쿨롱 반발 때문에 photoelectrons의 에너지를 높 혔 습니다에 대 한 조심. 이 문제가 나타나면 하나 7 eV 레이저 (4.3 단계)의 힘을 최적화 해야 합니다. 그러나 둘째, 샘플에서 광전자 강도 가난한 경우 분석기 입구 슬릿, 그리고 조리개 이어야 한다 (단계 6.1),, 에너지 분해능이 경우 희생 이다. 따라서, 하나는 신중 하 게 선택 레이저 SARPES 실험에 맞게 실험 설정 필요 합니다.
싱크 로트 론 방사선 표준 광전자 방출 기술에 비해 레이저 SARPES의 주요 단점은 레이저 SAPRES에 레이저의 광자 에너지는 일반적으로 하지 조정할. 광전자 방출 기술, 가변 광자 kz 분산, 조사 하는 데 필요한 3D 대량 밴드 구조를 식별 하 고 2 차원 표면 상태1. 또한,이 문서에 사용 된 7 eV의 광자 에너지는 높은 광자 에너지에 비해 작은 k 영역을 검색할 수 있습니다. 따라서, 레이저 SARPES 브 릴 루 앵 영역 중심 2 차원 표면 상태 조사에 가능성이 제한 됩니다.
그러나, 그것은 레이저 SARPES 기술의 힘 넓게 스핀-궤도 결합 상태에 대 한 적용 될 수 있습니다 주목 해야한다. 최근,이 문서에서 설명 하는 프로토콜을 사용 하 여 우리가 더 밝혀 있다 강한 스핀-궤도 결합 효과 그것의 중요 한 k-Bi 박막22 , BiAg2/Ag(111) 표면 합금23에 의존. 또한, 그것은 높은 효율적인 SARPES 기술 단지 개발을 시작 하 고 점차적으로 되는 표준 실험 기법을 지적 가치가 있다. 프로토콜은 연구원 SARPES를 사용 하 고 생산된 데이터를 이해 하기 위한 것입니다.

고체 상태1에 quasiparticle 밴드 구조를 조사 하는 가장 강력한 도구 중 하나에 각도 해결 광전자 방출 분광학 (ARPES) 기술을 개발 했다. ARPES의 매력적인 특징의 대부분은 에너지와 운동량 공간에서 전자 상태 특성 밴드 매핑 위한 기능입니다. 스핀 해결 ARPES (SARPES), 여기 스핀-감지기, 예를 갖추고 있습니다. 더 모트 탐지기2,3, 관찰된 밴드 구조4의 스핀 문자를 해결 하기 위해 수 있습니다. 모트 검출기는 두 개의 축 (x 와 z또는 y 및 z)와 스핀을 측정할 수 있습니다., 더 두 모트 감지기의 조합을 하나의 3 차원4,5의 스핀 방향을 얻을 수 있습니다. . 그러나 십년 동안,, SARPES 실험은 그들의 낮은 효율 (일반적으로 1/10000 스핀 통합 ARPES 측정에 비해)에서 고통을 했다3,,45,6 ,7, 에너지와 각도 해상도 제한 했다. 최근, SARPES의 에너지 분해능 exchange 산란, 소위 매우 낮은 에너지 전자 회절 (VLEED) 검출기7,8,9에 따라 높은 효율적인 회전 검출기로 증가 되었습니다. ,10. 이 검출기, 데이터 품질을 크게 향상 되었습니다와 데이터 수집 시간이 단축 되었습니다. 최근, SARPES 스핀 편광 전자 상태 및 특히 스핀-궤도 결합 효과 표면 밴드7의 회전 질감에 결과 해결 하기 위해 크게 성공 했습니다.
여기, 우리 SARPES 고용 양극 화 변수 진공 자외선 측정 레이저 광 (레이저-SARPES)와 입증이 결합 된 기술의 큰 장점. Bi2Se3스핀-궤도 결합 표면 상태에 조사를 통해 우리는 레이저 SARPES의 두 가지 기능을 제시. 첫째, 쌍 극 자 전이 정권, p-, s에 선형 편광 된 레이저의 궤도 선택 규칙 때문-편광된 빛 선택적으로 다른 궤도 대칭 아이겐 wavefunctions의 부분을 자극. 이러한 궤도 선택적 여기는 그로 인하여 SARPES, 즉, 궤도 선택적 SARPES. 둘째, SARPES에서 3 차원 (3D) 스핀-탐지 스핀 양자 축 방향을 표시 하 고 직접 빛 분극 의존의 전체 정보를 표시 합니다. 이 프로토콜에 우리는 잠시이 최신의 레이저-SARPES 기술을 강한 스핀-궤도 결합 효과 연구를 수행 하는 방법을 설명 합니다.
우리의 레이저-SARPES 시스템은 고체 상태 물리학, 도쿄 대학11을 위한 연구소. 우리의 레이저 SAPRES 기계의 도식 적인 그림은 그림 1에 표시 됩니다. 분극 변수 7 eV 레이저 빛12 샘플 표면 조명 하 고는 photoelectrons 샘플에서 방출 된다. 레이저의 편광 자동으로 MgF2-기반으로 λ/2-와 λ/4-waveplates 선택 사용 하 여 선형 및 원형 분극에 의해 제어 됩니다. 반구형 전자 분석기는 photoelectrons를 해결 하 고 그들의 운동 에너지 (E친척) 및 방출 각도 (θx θy)을 분석 합니다. 광전자 농도 E킨-CCD 카메라에 의해 감시 하는θx 화면에 매핑됩니다. 이 이미지 직접 상호 공간에서 에너지 밴드 구조에 변형 된다.
SARPES 측정을 위해 특정 방출 각도와 운동 에너지는 전자 분석기에 의해 분석 photoelectrons 90도 광전자 디플렉터와 두 개의 VLEED 형 스핀 감지기를 유도 하 고 광전자 빔 2에 초점을 맞추고 있다 Fe(001)-p(1 × 1) 영화 산소에 의해 종료의 다른 목표 대상에 의해 반영 photoelectrons 각 회전 검출기에 배치 하는 channeltron를 사용 하 여 단일 채널 검색에서 검색 됩니다. VLEED 목표는 서로 관하여 직각 형상으로 배열 되는 헬름홀츠 형 전기 코일으로 자성 수 있습니다. 자화 방향 바이 폴라 콘덴서 뱅크에 의해 제어 됩니다. 이중 VLEED 회전 검출기 함으로써 3 차원에 광전자의 스핀 분극 벡터 분석을 사용 합니다.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>DA30-L hemispherical analyzer</td>
			<td>ScientaOmicron</td>
			<td></td>
			<td>http://www.scientaomicron.com/en/products/353/1170</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver-based epoxy</td>
			<td>Epoxy Technology</td>
			<td>H20E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sctoch tape</td>
			<td>3M</td>
			<td>801-1-18C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UHV valve</td>
			<td>VAT</td>
			<td>01034-KE01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>linear/rotary feedthrough</td>
			<td>Ferrovac</td>
			<td>MD40</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>transfer rod</td>
			<td>UHV design</td>
			<td>PP series</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>wobble stick</td>
			<td>Ferrovac</td>
			<td>WM40</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paladin compact 355</td>
			<td>Coherent</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>half waveplate</td>
			<td>Kogakugiken</td>
			<td></td>
			<td>order made</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bipolar condenser bank</td>
			<td>Tsuji electronics</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

experimental methods for spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable laser

이 프로토콜의 목표 회전 및 각도 해결 광전자 방출 분광학 분극 변수 7 eV 레이저 (레이저-SARPES)와 함께 수행 하는 방법을 제시 하 고 고체 물리학을 공부에 대 한이 기술의 힘을 보여주는 것입니다. 레이저 SARPES는 두 개의 큰 기능을 달성 한다. 첫째, 선형 편광 된 레이저의 궤도 선택 규칙을 검사 하 여 궤도 선택적 여기 수 실시 SAPRES 실험. 둘째, 기술은 빛 분극의 기능으로 스핀 양자 축 변형의 전체 정보를 표시할 수 있습니다. 레이저 SARPES에서 이러한 기능의 협업의 힘을 보여, 우리는 Bi2Se3의 표면 상태를 스핀-궤도 결합의 수사를 위해이 기술을 적용. 이 기술은 스핀-궤도 결합 wavefunctions에서 스핀과 궤도 구성 요소 분해을 준다. 또한, 직접 스핀 탐지를 사용 하 여의 대표적인 장점은 편광 변수 레이저와 함께 collaborated, 기술은 스핀 양자 축 3 차원에서의 빛 분극 의존 명확 하 게 시각화. 레이저 SARPES는 극적으로 광전자 방출 기술의 능력을 증가 시킵니다.

SARPES 실험을 시작 하기 전에 k 위치 높은 통계 스핀 통합 ARPES 결과와 높은 에너지-각도-해상도 (프로토콜 5.1-5.5)을 사용 하 여 스핀 해결 스펙트럼을 주셔서 정확 하 게 결정 해야 합니다. 이 Bi2Se3 단 결정에 대 한 ARPES 결과 제시는 그림 7 에서 설명 했다. 이 소재는 표면 상태 스핀 편광14,15원형 위상 절연체로 알려져 있다. ARPES 밴드 지도 명확 하 게 2 차원 표면 상태16의 매우 가파른 디랙 콘 같은 에너지 분산을 해결합니다. ARPES 결과 쪼개진된 표면 및 샘플 방향의 높은 품질을 확인합니다. 밴드 지도 및 페르미 표면 매핑의 에너지와 기세 정보에서 하나 지금 SARPES 실험에 대 한 특정 방출 각도 선택할 수 있습니다.
그림 8 (a)를 다른 자화 방향 (+My -My) (xθ, θy)에서 에너지 분포 곡선 (EDCs) 나타냅니다 (-6 °, 0 °)에서-의kF =는 그림 7에 표시 된 점선 따라 컷에 해당 되는 표면 밴드. 데이터에서 스핀 해결 EDCs는 다음에서 얻을 수 있습니다. 처음에, 스핀 분극 (Py)이이 관계를 사용 하 여 견적 된다:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57090/57090eq1.jpg">
여기서 α 해결된 축 (x, y 및 z) 이며 나+M α (나-M α) 광전자 강도 +M α (-M α), 그리고 S eff 는 일반적으로 0.311셔먼 함수입니다. 취득 Py 곡선 그림 8 (b)에 표시 됩니다. 회전에 대 한 스핀 해결 스펙트럼 (<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57090/57090eq2.jpg">) 및 스핀-다운 (<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57090/57090eq3.jpg">)에 의해 얻은 다음:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57090/57090eq4.jpg">
그 결과 스핀-해결 스펙트럼에 표시 됩니다 그림 8(c).
이중 VLEED 스핀 감지기 3D 회전- x, y 및 z 축의 해상도 얻을 수 있습니다. 이것은 그림 9(a) 에서 증명 어디 p를 사용 하 여 스핀 해결 스펙트럼-분극 설정 및 해당 스핀-분극 (Px, Py 및 Pz) 표시. 페르미 에너지 근처 분명 피크 Bi2Se3의 표면 상태에 할당 됩니다. 데이터는 다른 구성 요소, Px Pz, 사소 하 게 작은 동안 Py 는 완전히 스핀 편광 ~ 100%를 나타냅니다. 3D 회전 해결 스펙트럼 따라서 스핀 양자 축의 고정 y, 따라는 밴드 계산16,,1718와 일치 하는 표면 상태를 설명 합니다.
다음, 우리는 p- s의 궤도 선택적 흥분에 초점-편광 된 레이저. 일반적으로, 강한 스핀-궤도 결합, 아래 다른 궤도 대칭 단일 eigenfunction17,18에 반대 스피너와 혼합 합니다. 우리의 실험 기하학, p-편광 (s-편광) 라이트는 px 와 pz (py) 스핀-궤도에서 궤도 구성 요소 결합 wavefunction ( 에 삽입 된 그림 9). 따라서, 스핀-궤도 결합을 통해 궤도 선택적 레이저-SARPES p-및 s에 대 한 반대 스핀-분극을 탐지 해야-분극. 실제로,이 그림 9(a) 와 9(b)에 시연입니다. 우리는 명확 하 게 직접 스핀-궤도 결합 효과 표면 상태17,18에 표시 Py 의 중요 한 가벼운 분극 의존을 관찰 합니다.
또한, 레이저 SARPES 더 기울이면된 빛 분극 p-와 s사이도 Px, Py 및 Pz 의 선형 분극 진화를 조사 하기 위해 월급-분극 19. 그림 10(a)에서 같이, 3D 회전 감지 레이저 SARPES 표시 Px, Py 와 Pz 에서 0.025 eV의 결합 에너지의 기능으로는 선형 분극입니다. 여기, 결과 포함 102 데이터 요소 6 h 이내 인수 되었다 합니다. Py 의 분극 의존은 사실 긍정적이 고 부정적인 Py 는 photoelectrons의 흥분에 의해 쉽게 설명 된다 p-및 s-적용 된 레이저의 구성 요소를 취소. 그러나,이 Px 와 Pz의 진화를 설명할 수 없다. 완전히 설명 하기 위해이 결과, 그림 10(b)에 요약 된 대로 광전자 방출에서 일관 된 회전 과정을 고려할 필요가 있다. 선형 분극 동시에 스핀업 및 스핀 다운 상태 흥분,이 두 양자 스핀 기지 있다면 coherently 개 광전자 상태에서 스핀 회전의 결과로. 사실, 표시 분극 의존은 잘 재현의 스핀-업 및 스핀-다운 p-, s에 의해 흥분된 사이 일관 된 간섭 고려와 모델 계산-분극19. 유사한 회전 효과 또는 3D SARPES에 의해 싱크 로트 론 방사선20,21를 관찰 했다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57090/57090fig1.jpg"> 그림 1: 레이저 SARPES의 탐지 시스템의 드로잉 도식. 2 개의 VLEED 스핀-감지기 직교 형상으로 배열 반구형 광전자 분석기에 연결 됩니다. 이 그림에서 Yaji, 수정 된 K. 외. 11. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57090/57090fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57090/57090fig2.jpg"> 그림 2: 스크린샷 분석기의 제어 소프트웨어. I.2 3 단계 i.2-1 검색 모드 (ARPES 또는 SARPES)와 복용 데이터 선택 시작 하는 방법을 보여 줍니다. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57090/57090fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57090/57090fig3.jpg"> 그림 3: 컨트롤의 스크린샷 검색 모드 선택 패널. I.3 4 단계 i.3-1 페르미 표면 매핑 시작 하는 방법을 보여 줍니다. 편집 단추를 누르면 (i.3-3 단계), 새로운 패널 매핑 (i.3-4 단계)의 속성을 정의 하려면 팝업 됩니다.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57090/57090fig4.jpg"> 그림 4: 컨트롤의 스크린샷 검색 모드 선택 패널. I.4 3 단계 i.4-1 SARPES 모드를 시작 하는 방법을 보여 줍니다. 스핀 의 영역이 선택 된 (i.4-1 단계)와 하단의 경우 OK 를 누르면 (i.4-3 단계), 패널은 닫히고 전체 분석기 설치 될 SARPES 모드를 해제 합니다.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57090/57090fig5.jpg"> 그림 5: 전자 편향 제어 패널의 스크린샷을. I.5 3 단계 i.5-1에는 광전자 전향 장치를 제어 하는 방법을 보여 줍니다. 지역 제어 ... 세타 (i.5-2 단계)을 누르면, 새로운 패널 광전자 편향 (i.5-3 단계)의 속성을 정의 하려면 팝업 됩니다. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57090/57090fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57090/57090fig6.jpg"> 그림 6: 스핀 대상과 빛 분극의 자기장에 대 한 패널의 스크린샷을. 이러한 속성은 우리의 시스템에서 명령줄에 의해 제어 됩니다. (a) 회전 대상에 대 한 자기장을 제어 명령: "응용 프로그램 파일 이름"에 해당 하는 "spin_coil.exe + X" "필드의 방향 + 또는-"와 "축, x, y 또는 z". (B) 빛 분극 제어 명령: "응용 프로그램 파일의 이름"에 해당 하는 "wave_plate.exe 180" 및 "λ/2-waveplate의 각도".
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57090/57090fig7.jpg"> 그림 7: 페르미 표면 매핑 및 Bi2Se3 E-k 밴드 매핑 ARPES를 사용 하 여 상태 표면. 대시 선 스핀 해결 스펙트럼 그림 8 과 그림 9에 나와 주셔서 k 위치를 나타냅니다. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57090/57090fig7large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57090/57090fig8.jpg"> 그림 8: Bi2Se3밴드 스펙트럼 표면 회전 및 각도 해결. (a) 에너지 분포 곡선 (EDCs)을 다른 자화 방향 +My -My 해당 그림 7에서 점선된 라인 컷 하 고정된 배출 각 측정. (b) 스핀 해결 분석에서 얻은 바인딩 에너지의 기능으로 스핀 분극. (c) 결과 EDCs (빨간 삼각형) 스핀-업 및 스핀-다운 (파란색 삼각형) 채널에 대 한. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57090/57090fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57090/57090fig9.jpg"> 그림 9: p-, s-Bi2Se3의 표면 상태에서 광전자 스핀 분극 의존. (a)와 (b) 3 차원 회전 해결 스펙트럼x, y 및 z 축에 해당 스핀 분극 (Px, Py 및 Pz) 기능으로 결합 에너지의 p-및 s -해당 그림 7에서 점선된 라인 컷 하 고정된 방출 각도에서 분극. P-및 s에 대 한 오목, 실험 구성에서-분극 표시 됩니다. 이 그림은 구로다 K. 외에서 수정 되었습니다. 19. p-(s-) 양극 화는 선택적으로 px 와 pz (py) 궤도 wavefunction 처럼 흥분. Px 와 pz (py) 상태를 결합 하는 +y 회전 급강하 (−y 스핀) 스핀-궤도 결합 표면 상태16,17. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57090/57090fig9large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57090/57090fig10.jpg"> 그림 10: 선형 편광 된 빛에 의해 유도 된 3 차원 스핀 분극 효과. (a) Px,y,z 의 Bi2Se3 표면 상태는 적용에 관하여의 음모는 선형 레이저 편광. 삽입에 적용 된 전기 분야 x-z 평면에 투영 하는 레이저의 표시 됩니다. 전체 데이터 요소 6 h 이내 찍은 사진. 이 그림에서 隆, 수정 된 K. 외. 19. (b) 시각 스핀-업 및 스핀-다운 스핀의 방해로 인해 3D 회전 회전. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57090/57090fig10large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>

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Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser

여기, 우리 기술로 회전 및 각도 해결 광전자 방출 고체 상태에서 스핀-궤도 결합 효과 시각화 하 분극 변수 7 eV 레이저를 결합 한다.

분극 변수 레이저와 함께 회전 및 각도 해결 광전자 방출 분광학 실험 방법

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser ...

experimental-methods-for-spin-angle-resolved-photoemission

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

9.8K 조회수.  University of Tokyo. 여기, 우리 기술로 회전 및 각도 해결 광전자 방출 고체 상태에서 스핀-궤도 결합 효과 시각화 하 분극 변수 7 eV 레이저를 결합 한다.

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Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

The physical properties of a material are defined by its electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;) and momentum (k) and the probability to find them in a particular state with given &omega; and k is described by the spectral function A(k, &omega;). This function can be directly measured in an experiment based on the well-known photoelectric effect, for the explanation of which Albert Einstein received the Nobel Prize back in 1921. In the photoelectric effect the light shone on a surface ejects electrons from the material. According to Einstein, energy conservation allows one to determine the energy of an electron inside the sample, provided the energy of the light photon and kinetic energy of the outgoing photoelectron are known. Momentum conservation makes it also possible to estimate k relating it to the momentum of the photoelectron by measuring the angle at which the photoelectron left the surface. The modern version of this technique is called Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) and exploits both conservation laws in order to determine the electronic structure, i.e. energy and momentum of electrons inside the solid. In order to resolve the details crucial for understanding the topical problems of condensed matter physics, three quantities need to be minimized: uncertainty* in photon energy, uncertainty in kinetic energy of photoelectrons and temperature of the sample.
In our approach we combine three recent achievements in the field of synchrotron radiation, surface science and cryogenics. We use synchrotron radiation with tunable photon energy contributing an uncertainty of the order of 1 meV, an electron energy analyzer which detects the kinetic energies with a precision of the order of 1 meV and a He3 cryostat which allows us to keep the temperature of the sample below 1 K. We discuss the exemplary results obtained on single crystals of Sr2RuO4 and some other materials. The electronic structure of this material can be determined with an unprecedented clarity.

The overall goal of this method is to determine the low-energy electronic structure of solids at ultra-low temperatures using Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy with synchrotron radiation.

울트라 낮은 온도에서 각도 - 해결 Photoemission 분광법

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

연구

공학

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold molecular beams. However, these beams often contain multiple conformers and clusters, even at low rotational temperatures. We present an experimental methodology that allows the spatial separation of these constituent parts of a molecular beam expansion. Using an electric deflector the beam is separated by its mass-to-dipole moment ratio, analogous to a bender or an electric sector mass spectrometer spatially dispersing charged molecules on the basis of their mass-to-charge ratio. This deflector exploits the Stark effect in an inhomogeneous electric field and allows the separation of individual species of polar neutral molecules and clusters. It furthermore allows the selection of the coldest part of a molecular beam, as low-energy rotational quantum states generally experience the largest deflection. Different structural isomers (conformers) of a species can be separated due to the different arrangement of functional groups, which leads to distinct dipole moments. These are exploited by the electrostatic deflector for the production of a conformationally pure sample from a molecular beam. Similarly, specific cluster stoichiometries can be selected, as the mass and dipole moment of a given cluster depends on the degree of solvation around the parent molecule. This allows experiments on specific cluster sizes and structures, enabling the systematic study of solvation of neutral molecules.

We present a technique that allows the spatial separation of different conformers or clusters present in a molecular beam. An electrostatic deflector is used to separate species by their mass-to-dipole moment ratio, leading to the production of gas-phase ensembles of a single conformer or cluster stoichiometry.

분자 순응및 클러스터의 공간 분리

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold ...

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states are indeed the resources for implementing various protocols, ranging from enhanced metrology to quantum communication and computing. A variety of devices can be used to generate non-classical states, such as single emitters, light-matter interfaces or non-linear systems3. We focus here on the use of a continuous-wave optical parametric oscillator3,4. This system is based on a non-linear &#967;2 crystal inserted inside an optical cavity and it is now well-known as a very efficient source of non-classical light, such as single-mode or two-mode squeezed vacuum depending on the crystal phase matching. 
Squeezed vacuum is a Gaussian state as its quadrature distributions follow a Gaussian statistics. However, it has been shown that number of protocols require non-Gaussian states5. Generating directly such states is a difficult task and would require strong &#967;3 non-linearities. Another procedure, probabilistic but heralded, consists in using a measurement-induced non-linearity via a conditional preparation technique operated on Gaussian states. Here, we detail this generation protocol for two non-Gaussian states, the single-photon state and a superposition of coherent states, using two differently phase-matched parametric oscillators as primary resources. This technique enables achievement of a high fidelity with the targeted state and generation of the state in a well-controlled spatiotemporal mode.

We describe the reliable generation of non-Gaussian states of traveling optical fields, including single-photon states and coherent state superpositions, using a conditional preparation method operated on the non-classical light emitted by optical parametric oscillators. Type-I and type-II phase-matched oscillators are considered and common procedures, such as the required frequency filtering or the high-efficiency quantum state characterization by homodyning, are detailed.

연속파 광 파라 메트릭 발진기와 빛의 양자 상태 공학

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle's Mapping and Quantification in Organ Tissue

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) performed on thin sections of rodent tissues: kidneys and tumor, allows the detection of inorganic elements such as (i) Na, Ca, Cu, Mg, P, and Fe, naturally present in the body and (ii) Si and Gd, detected after the injection of gadolinium-based nanoparticles. The animals were euthanized 1&#160;to 24 hr&#160;after intravenous injection of particles. A two-dimensional scan of the sample, performed using a motorized micrometric 3D-stage, allowed the infrared laser beam exploring the surface with a lateral resolution less than 100 &#956;m. Quantitative chemical images of Gd element inside the organ were obtained with sub-mM sensitivity. LIBS offers a simple and robust method to study the distribution of inorganic materials without any specific labeling. Moreover, the compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of the same biological tissue with different types of response:&#160;elemental, molecular, or cellular.

Laser-induced breakdown spectroscopy performed on thin organ and tumor tissue successfully detected natural elements and artificially injected gadolinium (Gd), issued from Gd-based nanoparticles. Images of chemical elements reached a resolution of 100 &#956;m and quantitative sub-mM sensitivity. The compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of a same biological tissue.

레이저 유도 내역 분광학 : 장기 조직에 나노 입자의 매핑 및 정량을위한 새로운 접근

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) ...

Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards understanding its mechanism. Protonation and conformational changes affect the vibration pattern of amino acid side chains and of the peptide bond, respectively, both of which can be probed by infrared (IR) difference spectroscopy. For proteins whose function can be repetitively and reproducibly triggered by light, it is possible to obtain infrared difference spectra with (sub)microsecond resolution over a broad spectral range using the step-scan Fourier transform infrared technique. With ~102-103 repetitions of the photoreaction, the minimum number to complete a scan at reasonable spectral resolution and bandwidth, the noise level in the absorption difference spectra can be as low as ~10-4, sufficient to follow the kinetics of protonation changes from a single amino acid. Lower noise levels can be accomplished by more data averaging and/or mathematical processing. The amount of protein required for optimal results is between 5-100 &#181;g, depending on the sampling technique used. Regarding additional requirements, the protein needs to be first concentrated in a low ionic strength buffer and then dried to form a film. The protein film is hydrated prior to the experiment, either with little droplets of water or under controlled atmospheric humidity. The attained hydration level (g of water / g of protein) is gauged from an IR absorption spectrum. To showcase the technique, we studied the photocycle of the light-driven proton-pump bacteriorhodopsin in its native purple membrane environment, and of the light-gated ion channel channelrhodopsin-2 solubilized in detergent.

Key steps of protein function, in particular backbone conformational changes and proton transfer reactions, often take place in the microsecond to millisecond time scale. These dynamical processes can be studied by time-resolved step-scan Fourier-transform infrared spectroscopy, in particular for proteins whose function is triggered by light.

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film synthesis) for the purpose of exploratory materials research. Certain materials pose a challenge wherein the traditional bulk Hall bar device fabrication method is insufficient to produce a measureable device for sample transport measurement, principally because the single crystal size is too small to attach wire leads to the sample in a Hall bar configuration. This can be, for example, because the first batch of a new material synthesized yields very small single crystals or because flakes of samples of one to very few monolayers are desired. In order to enable rapid characterization of materials that may be carried out in parallel with improvements to their growth methodology, a method of device fabrication for very small samples has been devised to permit the characterization of novel materials as soon as a preliminary batch has been produced. A slight variation of this methodology is applicable to producing devices using exfoliated samples of two-dimensional materials such as graphene, hexagonal boron nitride (hBN), and transition metal dichalcogenides (TMDs), as well as multilayer heterostructures of such materials. Here we present detailed protocols for the experimental device fabrication of fragments and flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate and subsequent measurement in a commercial superconducting magnet, dry helium close-cycle cryostat magnetotransport system at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

We describe the methodology of mechanical exfoliation and deposition of flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate, fabrication of experimental device structures for transport experimentation, and the magnetotransport measurement in a dry helium close-cycle cryostat at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

소설 재료의 저온 Magnetotransport 측정을위한 고급 실험 방법

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

SSVEP-based Experimental Procedure for Brain-Robot Interaction with Humanoid Robots

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in helping the disabled in their daily lives. The overall goal of our method is to establish an SSVEP-based experimental procedure by integrating multiple software programs, such as OpenViBE, Choregraph, and Central software as well as user developed programs written in C++ and MATLAB, to enable the study of brain-robot interaction with humanoid robots.
This is achieved by first placing EEG electrodes on a human subject to measure the brain responses through an EEG data acquisition system. A user interface is used to elicit SSVEP responses and to display video feedback in the closed-loop control experiments. The second step is to record the EEG signals of first-time subjects, to analyze their SSVEP features offline, and to train the classifier for each subject. Next, the Online Signal Processor and the Robot Controller are configured for the online control of a humanoid robot. As the final step, the subject completes three specific closed-loop control experiments within different environments to evaluate the brain-robot interaction performance.
The advantage of this approach is its reliability and flexibility because it is developed by integrating multiple software programs. The results show that using this approach, the subject is capable of interacting with the humanoid robot via brain signals. This allows the mind-controlled humanoid robot to perform typical tasks that are popular in robotic research and are helpful in assisting the disabled.

The overall goal of this method is to establish an SSVEP-based experimental procedure by integrating multiple software programs to enable the study of brain-robot interaction with humanoid robots, which is prospective in assisting the sick and elderly as well as performing unsanitary or dangerous jobs.

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in ...

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor compression based cooling process. Nickel-Titanium (Ni-Ti) based alloy systems, especially, show large elastocaloric effects. Furthermore, exhibit large latent heats which is a necessary material property for the development of an efficient solid-state based cooling process. A scientific test rig has been designed to investigate these processes and the elastocaloric effects in SMAs. The realized test rig enables independent control of an SMA&#39;s mechanical loading and unloading cycles, as well as conductive heat transfer between SMA cooling elements and a heat source/sink. The test rig is equipped with a comprehensive monitoring system capable of synchronized measurements of mechanical and thermal parameters. In addition to determining the process-dependent mechanical work, the system also enables measurement of thermal caloric aspects of the elastocaloric cooling effect through use of a high-performance infrared camera. This combination is of particular interest, because it allows illustrations of localization and rate effects &#8212; both important for efficient heat transfer from the medium to be cooled.
The work presented describes an experimental method to identify elastocaloric material properties in different materials and sample geometries. Furthermore, the test rig is used to investigate different cooling process variations. The introduced analysis methods enable a differentiated consideration of material, process and related boundary condition influences on the process efficiency. The comparison of the experimental data with the simulation results (of a thermomechanically coupled finite element model) allows for better understanding of the underlying physics of the elastocaloric effect. In addition, the experimental results, as well as the findings based on the simulation results, are used to improve the material properties.

Experimental methods for investigation of solid state cooling processes and characterization of elastocaloric material properties of Shape Memory Alloys (SMA) are presented. A custom-built test rig has been designed for controlling and comprehensive monitoring of elastocaloric cooling processes. Furthermore, it provides a validation platform for thermomechanically coupled modeling approaches.

형상 기억의 조사를 기반으로 Elastocaloric 냉각 프로세스 및 모델 검증을위한 실험 방법

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

MEMS 검사 및 특성화를위한 소형 렌즈가없는 디지털 홀로그램 현미경

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted researchers&#39; attention in many fields. Most of the studies focused on macroscopic LCE structures (films, fibers) and their miniaturization is still in its infancy. Recently developed lithography techniques, e.g., mask exposure and replica molding, only allow for creating 2D structures on LCE thin films. Direct laser writing (DLW) opens access to truly 3D fabrication in the microscopic scale. However, controlling the actuation topology and dynamics at the same length scale remains a challenge.
In this paper we report on a method to control the liquid crystal (LC) molecular alignment in the LCE microstructures of arbitrary three-dimensional shape. This was made possible by a combination of direct laser writing for both the LCE structures as well as for micrograting patterns inducing local LC alignment. Several types of grating patterns were used to introduce different LC alignments, which can be subsequently patterned into the LCE structures. This protocol allows one to obtain LCE microstructures with engineered alignments able to perform multiple opto-mechanical actuation, thus being capable of multiple functionalities. Applications can be foreseen in the fields of tunable photonics, micro-robotics, lab-on-chip technology and others.

Here, we fabricate 3D polymeric micro/nano structures in which both the shape and the molecular alignment can be engineered with nanometer scale accuracy by the use of direct laser writing. Light induced deformation of several types of liquid crystalline elastomer microstructures can be controlled in the microscopic scale.