自旋分辨角分辨光电子能谱（Spin-ARPES）
自旋分辨角分辨光电子能谱（Spin-ARPES） 在传统 ARPES 测量电子能量和动量的基础上，进一步分辨电子的自旋方向，是研究拓扑绝缘体、Rashba 体系、磁性材料以及强自旋-轨道耦合材料的核心实验手段。
一、什么是自旋分辨 ARPES？
传统的 ARPES 测量只关心电子的能量和动量，如同给人拍照只能看到身形轮廓，而无法区分左手和右手。自旋分辨 ARPES（Spin-ARPES）则更进一步，能够在测量能量和动量的同时分辨电子的自旋方向（自旋向上或向下）。这在研究拓扑绝缘体、Rashba 体系、磁性材料以及强自旋-轨道耦合材料时至关重要——自旋是这些体系中电子行为的核心自由度。
简单来说，如果传统 ARPES 让我们"看到"了电子的能带，那么 Spin-ARPES 则让我们"看清"了每条能带中电子的自旋状态。这对于理解量子材料的奇异物性、验证理论预言具有不可替代的价值。
二、VLEED 自旋探测器工作原理
本平台ARPES配有 3D VLEED（Very Low Energy Electron Diffraction）自旋探测器。
铁磁材料中，由于电子的交换相互作用，多数自旋和少数自旋能带的结合能是不同的。因此，若将具有特定能量和特定动量的电子注入铁磁材料，其中多数自旋和少数自旋能带的态密度不相等，电子的反射率（或吸收率）应具有自旋依赖性。在铁膜中，电子动能为 6.3 eV 处，该反射率最强。利用铁磁材料自旋依赖反射率的自旋探测器，称为极低能电子衍射（VLEED）自旋探测器。VLEED 探测器用一个通道电子倍增器来探测电子，并通过铁磁性靶材正向磁化（$I^+$）和反向磁化（$I^-$）条件下反射电子的强度不对称度（$A$）来测量：
图 1：VLEED 自旋探测器原理示意图
\[ A = \frac{I^+ - I^-}{I^+ + I^-} \]
该不对称度与自旋极化成正比，因此通过观测 $A$ 即可获得入射电子的自旋极化。
VLEED型自旋探测器的主要优势在于其等效谢尔曼函数 $S_{\text{eff}}$ 极高，测量效率比 Mott 型探测器高两个数量级。不足之处在于制备的铁磁性靶材薄膜寿命有限，约数周左右需要重新制备铁膜。
三、自旋测量参数
图 2：Spin Aperture shape
由于自旋测量采用单点采集模式，测量的是 Spin Aperture 收集的信号，因此选取合适的通过能（$E_{\text{p}}$）和 Spin Aperture 参数是获取高质量自旋分辨数据的关键。分辨率通过峰宽（PEAK）计算，下表列出不同 Aperture 对应的参数。其中能量分辨率对应 Pass Energy = 1 eV 时的值，该分辨率随 Pass Energy 等比例变化。根据此表可选择不同 Aperture 下合适的能量和角度步长。
| Aperture |
Size [mm × mm] |
Corner radius [mm] |
Energy res. [meV] |
DA30 Angle res [°] |
DA14 Angle res [°] |
| 1 |
0.5 × 0.5 (circular) |
0 |
1.1592 |
0.9491 |
0.355 |
| 2 |
0.5 × 1.0 |
0.25 |
2.3184 |
0.9491 |
0.355 |
| 3 |
1.0 × 2.0 |
0.5 |
4.6368 |
1.8982 |
0.711 |
| 4 |
1.0 × 3.0 |
0.5 |
6.955 |
1.8982 |
0.711 |
| 5 |
2.0 × 3.0 |
0.5 |
6.955 |
3.7963 |
1.4222 |
四、实验结果
我们以 Au(111) 单晶表面态为基准样品进行了系统性能验证。Au(111) 表面存在典型的 Rashba 型自旋劈裂态，其能带在动量空间中分裂为两支，分别对应相反的自旋极化方向，是检验 Spin-ARPES 系统性能的经典标准样品。
图 3：Au(111) 表面态及自旋分辨 ARPES 测量结果。自旋采集 1 小时，$E_{\text{p}} = 5$ eV，Spin Aperture = 4。
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设备链接：https://iscps.westlake.edu.cn/info/1024/1908.htm
参考文献： Taichi Okuda， J. Phys.: Condens. Matter 29 (2017) 483001
