El campo magnético es una herramienta indispensable para controlar fenómenos cuánticos en los materiales. Recientemente se ha logrado integrarlo directamente en ARPES (magneto-ARPES), pero las distorsiones en las trayectorias de los electrones resultaron significativas incluso en campos pequeños. Junto a este trabajo se encuentran investigaciones sobre patrones magnéticos en películas delgadas, brújulas de espín y resonancia magnética en óxido de cromo. Todas buscan maneras de controlar los espines y la estructura electrónica, pero aquí la tarea es distinta: no se trata de crear un campo, sino de corregir su influencia sobre el propio instrumento de medición.
Se utilizó ARPES láser con fotones de 6 eV y un solenoide alrededor de la muestra que genera un campo dipolar de hasta 10 mT. Las trayectorias de los fotoelectrones se modelaron mediante el método de elementos finitos y se resolvieron numéricamente las ecuaciones de movimiento. El postprocesado incluyó el mapeo inverso de los ángulos medidos a los iniciales mediante matrices de corrección. La muestra de Bi2Se3 se cultivó por el método de Bridgman modificado y las mediciones se realizaron a 30 K.
Se recuperaron la superficie de Fermi y la dispersión de los estados superficiales topológicos del Bi2Se3 con una precisión de ±1° en el ángulo en campos de hasta 8,6 mT. El ensanchamiento en el momento no superó 2Δθ0 (donde Δθ0 = 0,8° es el ancho de línea intrínseco a campo cero). Se demostró que el campo dipolar actúa como una lente electrónica con puntos focales donde se pierde la resolución angular, pero entre ellos las mediciones son posibles. El dicroísmo circular muestra la textura espín-órbita y no cambia con el campo, lo que confirma la calidad de la corrección.
Este trabajo se diferencia de los enfoques vecinos en que no intenta eliminar las distorsiones del campo mediante hardware (por ejemplo, con configuraciones multipolares), sino que las corrige numéricamente. Esto permite usar un solenoide simple y mantener alta resolución. Por primera vez se demuestra que la magneto-ARPES puede funcionar en un campo variable con una recuperación precisa de la función espectral. Las leyes de escala obtenidas de las simulaciones proporcionan una hoja de ruta para transferir el método a otras instalaciones.
El método se puede extender a campos más altos si se evitan los puntos focales y se utilizan energías de fotones más altas o voltaje de polarización. La combinación con núcleos ferromagnéticos o configuraciones de campo multipolares permitirá aumentar el rango. Es posible aplicarlo a otros materiales con fuerte acoplamiento espín-órbita.
Influirá en la investigación de aislantes topológicos, superconductores y materiales magnéticos, donde es importante conocer la estructura electrónica en presencia de campo.
Probar el método en materiales con un desdoblamiento Zeeman más pronunciado y realizar mediciones en campos superiores a 10 mT.
La conexión con un problema no resuelto de la física de la materia condensada: cómo observar el desdoblamiento por campo del punto de Dirac en aislantes topológicos sin artefactos de ensanchamiento. Este trabajo muestra que se necesitan puntos de haz más pequeños y campos más altos.
El solenoide se calienta solo 4 K a la corriente máxima, y su campo a una distancia de 1,35 mm de la muestra se atenúa en un 99,6%.