Fig. A la primera imatge ARPES de LOREA es pot observar la dispersió de les bandes angulars del Bi2Te3 en el rang angular (-6˚, + 6˚) com a funció de l'energia cinètica dels electrons emesos des de la mostra exposada a fotons amb una energia de 43 eV. La valència del material en "cru" (volum) i les bandes de conducció amb una banda prohibida de més de 0,2 eV, i estats de superfície mostren una dispersió angular lineal, que convergeix cap al "punt de Dirac" situat al voltant de 0,3 eV sota el Nivell de Fermi. La imatge es va prendre utilitzant fotons amb una energia de 43 eV.
Cerdanyola del Vallès, 6 d'agost de 2021. LOREA és la nova línia de llum de l'ALBA dedicada a l'estudi de materials quàntics a través de l'espectroscòpia fotoelectrònica resolta en angle (ARPES, per les sigles en anglès). La tècnica ARPES és la més poderosa per determinar l'estructura de bandes de sòlids i descobrir característiques rellevants dels materials que s'utilitzarán en computació quàntica, microelectrònica de baix consum, superconductors, fotovoltaica, i molts altres dispositius fets per transportar, emmagatzemar o convertir energia.
LOREA es troba en fase de posada en marxa i s'espera que rebi els seus primers usuaris a l'octubre de 2021. Oferirà a usuaris nacionals i internacionals noves eines per descobrir i modificar nous materials i funcionalitats.
Un pas fonamental en la posada en marxa d'aquesta línia és la generació de la primera mesura ARPES, on els fotons generats a l'anell d'emmagatzematge del Sincrotró ALBA es guien cap a l'estació experimental a través d'un complex camí òptic de miralls focalitzadors, escletxes i el monocromador desenvolupat a ALBA. A l'estació experimental, els fotons es troben amb la mostra i produeixen electrons (fotoemesos) que s'analitzen per determinar la seva energia i el seu moment de distribució dins del material. Per ser útil, la tècnica ARPES requereix una energia elevada i una resolució angular, ambdués disponibles a LOREA.
Com a primer experiment per a la nova línia de llum, la mostra escollida estava feta de tel·lurur de bismut (Bi2Te3), un material termoelèctric capaç de convertir electricitat en diferències de temperatura i viceversa. El tel·lurur de bismut és un aïllant topològic, el que significa que és un aïllant (o semiconductor) en la seva forma en "cru" (volum), però és altament conductor (gairebé perfectament conductor, amb bandes lineals que construeixen un "con de Dirac ") només en la seva superfície, a través de la formació d'estats de superfície que són resistents a la contaminació.
"Estem molt feliços amb el funcionamient de la línia, que farà de LOREA una de les millors línies de llum d'ARPES per investigar materials quàntics", diu Massimo Tallarida, responsable de LOREA.
El següent pas en la posada en marxa continua aquestes setmanes amb l'optimització de la resolució de l'energia i incrementar el flux de fotons.
Un monocromador fet a casa
Les línies de llum de raigs X tous requereixen monocromadors que tinguin diverses reixetes i miralls posicionats amb una alta precisió. L'experiència acumulada en la divisió d'Enginyeria del Sincrotró ALBA al llarg dels anys ha permès afrontar el repte de dissenyar i construir un monocromador d'alt buit a ALBA, incloent-hi nous conceptes de disseny.
El gran rang d'energia de LOREA (10-100 eV) requereix un dispositiu amb tres miralls i 4 reixetes amb un espaiat lineal variable per reduir les aberracions òptiques. Els miralls estan localitzats al llarg del camí del feix i tenen graus de llibertat verticals i d'incidència angular, mentre que les quatre reixetes estan col·locades transversalment i la que es troba en funcionament se selecciona amb una guia lineal transversal a la direcció del feix. Els miralls i les reixetes en operació estan refrigerades per aigua per suportar el poder del feix.
La part més important del monocromador, el sistema d'enreixat, s'ha dissenyat acuradament per ser insensible a pertorbacions externes com vibracions de l'aigua refrigerant i, al mateix temps, tenir un acompliment tècnic elevat.
La part més innovadora és el sistema de refrigeració de les reixetes per evacuar la densitat de potència de càrrega provinent dels raigs-X absorbits d'1 W/mm2. No té protecció de buit o doble canonada, que són conegudes fonts d'errors. La càrrega de calor s'elimina a través de tires de coure en contacte amb un dispositiu controlador de la temperatura connectat a canonades d'aigua fixes. Amb això, el moviment precís de les reixetes no es veu afectat i els canvis transitoris de temperatura, a causa de l'obertura de la part davantera de la línia de llum o a un canvi de l'enreixat, es minimitzen. A més, la temperatura d'operació es pot mantenir fixa per a diferents càrregues de potència gràcies al controlador de temperatura.
"Dissenyar i construir el monocromador de LOREA ha estat un gran repte. Sempre és complicat quan es desenvolupen noves idees. Estem orgullosos de veure que el dispositiu està preparat per funcionar amb un rendiment tècnic excel·lent", comenta Alejandro Crisol Ariño, responsable dels components òptics i mecànics de LOREA.
Imatges de l'esdeveniment celebrat el 21 de juliol de 2021 per presentar els bons resultats de la posada en marxa de LOREA. Massimo Tallarida va resumir els principals resultats a un nombre reduït de persones involucrades en el projecte.
El projecte està co-finançat pel Fons Europeu de Desenvolupament Regional (FEDER) dins el marc del programa Operatiu FEDER de Catalunya 2014-2020.
