Le champ magnétique est un outil indispensable pour contrôler les phénomènes quantiques dans les matériaux. Récemment, il a été possible de l'intégrer directement dans l'ARPES (magnéto-ARPES), mais les distorsions des trajectoires électroniques se sont révélées significatives même pour de faibles champs. À côté de ces travaux, d'autres recherches portent sur les motifs magnétiques de films minces, les boussoles de spin et la résonance magnétique dans l'oxyde de chrome. Toutes cherchent des moyens de contrôler les spins et la structure électronique, mais ici la tâche est différente : il ne s'agit pas de créer un champ, mais de corriger son influence sur l'instrument de mesure lui-même.
Nous avons utilisé une ARPES laser avec une énergie de photons de 6 eV et un solénoïde autour de l'échantillon créant un champ dipolaire jusqu'à 10 mT. Les trajectoires des photoélectrons ont été modélisées par éléments finis et les équations du mouvement résolues numériquement. Le post-traitement comprenait une rétroprojection des angles mesurés vers les angles initiaux à l'aide de matrices de correction. L'échantillon de Bi2Se3 a été cultivé par la méthode de Bridgman modifiée, et les mesures ont été effectuées à 30 K.
Nous avons reconstruit la surface de Fermi et la dispersion des états de surface topologiques de Bi2Se3 avec une précision de ±1° en angle pour des champs allant jusqu'à 8,6 mT. L'élargissement en impulsion ne dépasse pas 2Δθ0 (où Δθ0 = 0,8° est la largeur de raie intrinsèque à champ nul). Nous avons montré que le champ dipolaire agit comme une lentille électronique avec des points focaux où la résolution angulaire est perdue, mais entre lesquels les mesures sont possibles. Le dichroïsme circulaire révèle la texture spin-orbite et ne change pas avec le champ, confirmant la qualité de la correction.
Ces travaux se distinguent des approches voisines en ce qu'ils ne cherchent pas à éliminer les distorsions du champ par des moyens matériels (par exemple, des configurations multipolaires), mais les corrigent numériquement. Cela permet d'utiliser un simple solénoïde tout en conservant une haute résolution. Pour la première fois, il est démontré que la magnéto-ARPES peut fonctionner sous champ variable avec une reconstruction précise de la fonction spectrale. Les lois d'échelle issues des simulations fournissent une feuille de route pour transposer la méthode à d'autres installations.
La méthode peut être étendue à des champs plus élevés en évitant les points focaux et en utilisant des énergies de photons plus grandes ou une tension de polarisation. La combinaison avec des noyaux ferromagnétiques ou des configurations de champ multipolaires permettra d'augmenter la plage. Une application à d'autres matériaux à fort couplage spin-orbite est possible.
Cela aura un impact sur les recherches sur les isolants topologiques, les supraconducteurs et les matériaux magnétiques, où il est important de connaître la structure électronique sous champ.
Tester la méthode sur des matériaux présentant un dédoublement Zeeman plus prononcé et réaliser des mesures sous des champs supérieurs à 10 mT.
Le lien avec le problème non résolu de la physique de la matière condensée : comment observer le dédoublement de champ du point de Dirac dans les isolants topologiques sans artefacts d'élargissement. Ces travaux montrent qu'il faut des taches de faisceau plus petites et des champs plus grands.
Le solénoïde ne chauffe que de 4 K au courant maximal, et son champ à une distance de 1,35 mm de l'échantillon s'affaiblit de 99,6%.