Fig. En la primera imagen ARPES de LOREA se puede observar la dispersión de las bandas angulares del Bi2Te3 en el rango angular (-6˚,+6˚) como función de la energía cinética de los electrones emitidos desde la muestra expuesta a fotones con una energía de 43 eV. La valencia del material en "crudo" (volumen) y las bandas de conducción con una banda prohibida de más de 0,2 eV, y estados de superficie muestran una dispersión angular lineal, que converge hacia el "punto de Dirac" situado alrededor de 0,3 eV bajo el Nivel de Fermi. La imagen se tomó utilizando fotones con una energía de 43 eV.
Cerdanyola del Vallès, 6 de agosto de 2021. LOREA es la nueva línea de luz de ALBA dedicada al estudio de materiales cuánticos a través de la espectroscopia fotoelectrónica resuelta en ángulo (ARPES, por sus siglas en inglés). La técnica ARPES es la más poderosa para determinar la estructura de bandas de sólidos y desvelar características relevantes de los materiales que se van a utilizar en computación cuántica, microelectrónica de bajo consumo, superconductores, fotovoltaica, y otros muchos dispositivos hechos para transportar, almacenar o convertir energía.
LOREA se encuentra en fase de puesta en marcha y se espera que reciba sus primeros usuarios en octubre de 2021. Ofrecerá a usuarios nacionales e internacionales nuevas herramientas para descubrir y modificar nuevos materiales y funcionalidades.
Un paso fundamental en la puesta en marcha de esta línea es la generación de la primera medida ARPES, dónde los fotones generados en el anillo de almacenamiento del Sincrotrón ALBA se guían a la estación experimental a través de un complejo camino óptico de espejos focalizadores, rendijas y el monocromador desarrollado en ALBA. En la estación experimental los fotones se encuentran con la muestra y producen electrones (fotoemitidos) que se analizan para determinar su energía y su momento de distribución dentro del material. Para ser útil, la técnica ARPES requiere una energía elevada y una resolución angular, ambas disponibles en LOREA.
Como primer experimento para la nueva línea de luz, la muestra escogida estaba hecha de telururo de bismuto (Bi2Te3), un material termoeléctrico capaz de convertir electricidad en diferencias de temperatura y viceversa. El telururo de bismuto es un aislante topológico, lo que significa que es un aislante (o semiconductor) en su forma en "crudo" (volumen), pero es altamente conductor (casi perfectamente conductor, con bandas lineales que construyen un "cono de Dirac") solo en su superficie, a través de la formación de estados de superficie que son resistentes a la contaminación.
"Estamos muy satisfechos con el funcionamiento de la línea, que hará de LOREA una de las mejores líneas de luz de ARPES para investigar materiales cuánticos", dice Massimo Tallarida, responsable de LOREA.
El siguiente paso en la puesta en marcha continua estas semanas con la optimización de la resolución de la energía e incrementar el flujo de fotones.
Un monocromador hecho en casa
Las líneas de luz de rayos X blandos requieren monocromadores que tengan varias rejillas y espejos posicionados con una alta precisión. La experiencia acumulada en la división de Ingeniería del Sincrotrón ALBA a lo largo de los años ha permitido afrontar el reto de diseñar y construir un monocromador de alto vacío en ALBA, incluyendo nuevos conceptos de diseño.
El gran rango de energía de LOREA (10-100 eV) requiere un dispositivo con tres espejos y cuatro rejillas con un espaciado lineal variable para reducir las aberraciones ópticas. Los espejos están localizados a lo largo del camino del haz y tienen grados de libertad verticales y de incidencia angular, mientras que las cuatro rejillas están colocadas transversalmente y la que se encuentra en funcionamiento se selecciona con una guía lineal transversal a la dirección del haz. Los espejos y las rejillas en operación están refrigeradas por agua para contrarestar el poder del haz de luz de sincrotrón.
La parte más importante del monocromador, el sistema de rejillas, se ha diseñado cuidadosamente para ser insensible a perturbaciones externas como vibraciones del agua refrigerante y, al mismo tiempo, tener un rendimiento técnico elevado.
A su vez, la parte más innovadora es el sistema de refrigeración de las rejillas para evacuar la densidad de potencia de carga procedente de los rayos X absorbidos de 1 W/mm2. No tiene protección de vacío o doble tubería, que son conocidas fuentes de fallos. La carga de calor se elimina a través de tiras de cobre en contacto con un dispositivo controlador de la temperatura conectado a tuberías de agua fijas. Con esto, el movimiento preciso de las rejillas no se ve afectado y los cambios transitorios de temperatura, debido a la apertura de la parte delantera de la línea de luz o a un cambio del enrejado, se minimizan. Además, la temperatura de operación se puede mantener fija para diferentes cargas de potencia gracias al controlador de temperatura.
"Diseñar y construir el monocromador de LOREA ha sido un gran reto. Siempre es complicado cuando se desarrollan nuevas ideas. Estamos orgullosos de ver que el dispositivo está listo para funcionar con un rendimiento técnico excelente", comenta Alejandro Crisol Ariño, responsable de los componentes ópticos y mecánicos de LOREA.
Imágenes del evento celebrado el pasado 21 de julio de 2021 para presentar los buenos resultados de la puesta en marcha de LOREA. Massimo Tallarida resumió los principales resultados a un número reducido de personas involucradas en el proyecto.
El proyecto está cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) en el marco del Programa Operativo FEDER de Cataluña 2014-2020.
