Angle-resolved photoemission spectroscopy with sub-micrometer spatial resolution (μ-ARPES), has become a powerful tool for studying quantum materials. To achieve sub-micrometer or even nanometer-scale spatial resolution, it is important to focus the incident light beam (usually from synchrotron radiation) using x-ray optics, such as the zone plate or ellipsoidal capillary mirrors. Recently, we developed a laser-based μ-ARPES with spin-resolution (LMS-ARPES). The 177 nm laser beam is achieved by frequency-doubling a 355 nm beam using a KBBF crystal and subsequently focused using an optical lens with a focal length of about 16 mm. By characterizing the focused spot size using different methods and performing spatial-scanning photoemission measurement, we confirm the sub-micron spatial resolution of the system. Compared with the μ-ARPES facilities based on the synchrotron radiation, our LMS-ARPES system is not only more economical and convenient, but also with higher photon flux (>5 × 1013 photons/s), thus enabling the high-resolution and high-statistics measurements. Moreover, the system is equipped with a two-dimensional spin detector based on exchange scattering at a surface-passivated iron film grown on a W(100) substrate. We investigate the spin structure of the prototype topological insulator Bi2Se3 and reveal a high spin-polarization rate, confirming its spin-momentum locking property. This lab-based LMS-ARPES will be a powerful research tool for studying the local fine electronic structures of different condensed matter systems, including topological quantum materials, mesoscopic materials and structures, and phase-separated materials.

1.
R. M.
Martin
,
Electronic Structure: Basic Theory and Practical Methods
(
Cambridge University Press
,
2020
).
2.
P. D. C.
King
,
S.
Picozzi
,
R. G.
Egdell
, and
G.
Panaccione
,
Chem. Rev.
121
,
2816
(
2020
).
3.
S.
Hüfner
,
Very High Resolution Photoelectron Spectroscopy
(
Springer
,
2007
).
4.
A.
Damascelli
,
Z.
Hussain
, and
Z.-X.
Shen
,
Rev. Mod. Phys.
75
,
473
(
2003
).
5.
J. A.
Sobota
,
Y.
He
, and
Z.-X.
Shen
,
Rev. Mod. Phys.
93
,
025006
(
2021
).
6.
D.
Lu
,
I. M.
Vishik
,
M.
Yi
,
Y.
Chen
,
R. G.
Moore
, and
Z.-X.
Shen
,
Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
3
,
129
(
2012
).
7.
X.
Zhou
,
W.-S.
Lee
,
M.
Imada
,
N.
Trivedi
,
P.
Phillips
,
H.-Y.
Kee
,
P.
Törmä
, and
M.
Eremets
,
Nat. Rev. Phys.
3
,
462
(
2021
).
8.
J. D.
Denlinger
,
G.-H.
Gweon
,
J. W.
Allen
,
C. G.
Olson
,
Y.
Dalichaouch
,
B.-W.
Lee
,
M. B.
Maple
,
Z.
Fisk
,
P. C.
Canfield
, and
P. E.
Armstrong
,
Physica B
281–282
,
716
(
2000
).
9.
Z. X.
Yin
,
X.
Du
,
W. Z.
Cao
,
J.
Jiang
,
C.
Chen
,
S. R.
Duan
,
J. S.
Zhou
,
X.
Gu
,
R. Z.
Xu
, and
Q. Q.
Zhang
,
Phys. Rev. B
105
,
245106
(
2022
).
10.
L.
Kang
,
X.
Du
,
J. S.
Zhou
,
X.
Gu
,
Y. J.
Chen
,
R. Z.
Xu
,
Q. Q.
Zhang
,
S. C.
Sun
,
Z. X.
Yin
, and
Y. D.
Li
,
Nat. Commun.
12
,
1
(
2021
).
11.
Y. W.
Li
,
J.
Jiang
,
H. F.
Yang
,
D.
Prabhakaran
,
Z. K.
Liu
,
L. X.
Yang
, and
Y. L.
Chen
,
Phys. Rev. B
97
,
115118
(
2018
).
12.
L. X.
Yang
,
Y.
Zhang
,
H. W.
Ou
,
J. F.
Zhao
,
D. W.
Shen
,
B.
Zhou
,
J.
Wei
,
F.
Chen
,
M.
Xu
, and
C.
He
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
107002
(
2009
).
13.
F.
Bisti
,
V. A.
Rogalev
,
M.
Karolak
,
S.
Paul
,
A.
Gupta
,
T.
Schmitt
,
G.
Güntherodt
,
V.
Eyert
,
G.
Sangiovanni
, and
G.
Profeta
,
Phys. Rev. X
7
,
041067
(
2017
).
14.
X.
Xu
,
Y. W.
Li
,
S. R.
Duan
,
S. L.
Zhang
,
Y. J.
Chen
,
L.
Kang
,
A. J.
Liang
,
C.
Chen
,
W.
Xia
, and
Y.
Xu
,
Phys. Rev. B
101
,
201104
(
2020
).
15.
Y. J.
Chen
,
X.
Gu
,
Y. D.
Li
,
X.
Du
,
L. X.
Yang
, and
Y. L.
Chen
,
Matter
3
,
1114
(
2020
).
16.
M. Z.
Hasan
,
G.
Chang
,
I.
Belopolski
,
G.
Bian
,
S.-Y.
Xu
, and
J.-X.
Yin
,
Nat. Rev. Mater.
6
,
784
(
2021
).
17.
B. Q.
Lv
,
T.
Qian
, and
H.
Ding
,
Rev. Mod. Phys.
93
,
025002
(
2021
).
18.
C.
Bao
,
P.
Tang
,
D.
Sun
, and
S.
Zhou
,
Nat. Rev. Phys.
4
,
33
(
2022
).
19.
C.
Bao
,
H.
Zhong
,
S.
Zhou
,
R.
Feng
,
Y.
Wang
, and
S.
Zhou
,
Rev. Sci. Instrum.
93
,
013902
(
2022
).
20.
G.
Liu
,
G.
Wang
,
Y.
Zhu
,
H.
Zhang
,
G.
Zhang
,
X.
Wang
,
Y.
Zhou
,
W.
Zhang
,
H.
Liu
, and
L.
Zhao
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
023105
(
2008
).
21.
C.
Yan
,
E.
Green
,
R.
Fukumori
,
N.
Protic
,
S. H.
Lee
,
S.
Fernandez-Mulligan
,
R.
Raja
,
R.
Erdakos
,
Z.
Mao
, and
S.
Yang
,
Rev. Sci. Instrum.
92
,
113907
(
2021
).
22.
T.
Kiss
,
T.
Shimojima
,
K.
Ishizaka
,
A.
Chainani
,
T.
Togashi
,
T.
Kanai
,
X.-Y.
Wang
,
C.-T.
Chen
,
S.
Watanabe
, and
S.
Shin
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
023106
(
2008
).
23.
M.
Kitamura
,
S.
Souma
,
A.
Honma
,
D.
Wakabayashi
,
H.
Tanaka
,
A.
Toyoshima
,
K.
Amemiya
,
T.
Kawakami
,
K.
Sugawara
, and
K.
Nakayama
,
Rev. Sci. Instrum.
93
,
033906
(
2022
).
24.
G.
Rohde
,
A.
Hendel
,
A.
Stange
,
K.
Hanff
,
L.-P.
Oloff
,
L. X.
Yang
,
K.
Rossnagel
, and
M.
Bauer
,
Rev. Sci. Instrum.
87
,
103102
(
2016
).
25.
J. D.
Koralek
,
J. F.
Douglas
,
N. C.
Plumb
,
J. D.
Griffith
,
S. T.
Cundiff
,
H. C.
Kapteyn
,
M. M.
Murnane
, and
D. S.
Dessau
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
053905
(
2007
).
26.
M.
Hoesch
,
T. K.
Kim
,
P.
Dudin
,
H.
Wang
,
S.
Scott
,
P.
Harris
,
S.
Patel
,
M.
Matthews
,
D.
Hawkins
, and
S. G.
Alcock
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
013106
(
2017
).
27.
Y.
He
,
I. M.
Vishik
,
M.
Yi
,
S.
Yang
,
Z.
Liu
,
J. J.
Lee
,
S.
Chen
,
S. N.
Rebec
,
D.
Leuenberger
, and
A.
Zong
,
Rev. Sci. Instrum.
87
,
011301
(
2016
).
28.
S. C.
Speller
,
P.
Dudin
,
S.
Fitzgerald
,
G. M.
Hughes
,
K.
Kruska
,
T. B.
Britton
,
A.
Krzton-Maziopa
,
E.
Pomjakushina
,
K.
Conder
,
A.
Barinov
, and
C. R. M.
Grovenor
,
Phys. Rev. B
90
,
024520
(
2014
).
29.
M.
Bendele
,
A.
Barinov
,
B.
Joseph
,
D.
Innocenti
,
A.
Iadecola
,
A.
Bianconi
,
H.
Takeya
,
Y.
Mizuguchi
,
Y.
Takano
,
T.
Noji
,
T.
Hatakeda
,
Y.
Koike
,
M.
Horio
,
A.
Fujimori
,
D.
Ootsuki
,
T.
Mizokawa
, and
N. L.
Saini
,
Sci. Rep.
4
,
5592
(
2014
).
30.
M.
Cattelan
and
N.
Fox
,
Nanomaterials
8
,
284
(
2018
).
31.
P. V.
Nguyen
,
N. C.
Teutsch
,
N. P.
Wilson
,
J.
Kahn
,
X.
Xia
,
A. J.
Graham
,
V.
Kandyba
,
A.
Giampietri
,
A.
Barinov
, and
G. C.
Constantinescu
,
Nature
572
,
220
(
2019
).
32.
M. I. B.
Utama
,
R. J.
Koch
,
K.
Lee
,
N.
Leconte
,
H.
Li
,
S.
Zhao
,
L.
Jiang
,
J.
Zhu
,
K.
Watanabe
, and
T.
Taniguchi
,
Nat. Phys.
17
,
184
(
2021
).
33.
D.
Pei
,
B.
Wang
,
Z.
Zhou
,
Z.
He
,
L.
An
,
S.
He
,
C.
Chen
,
Y.
Li
,
L.
Wei
, and
A.
Liang
,
Phys. Rev. X
12
,
021065
(
2022
).
34.
R.
Noguchi
,
M.
Kobayashi
,
Z.
Jiang
,
K.
Kuroda
,
T.
Takahashi
,
Z.
Xu
,
D.
Lee
,
M.
Hirayama
,
M.
Ochi
, and
T.
Shirasawa
,
Nat. Mater.
20
,
473
(
2021
).
35.
R. J.
Koch
,
C.
Jozwiak
,
A.
Bostwick
,
B.
Stripe
,
M.
Cordier
,
Z.
Hussain
,
W.
Yun
, and
E.
Rotenberg
,
Secondary, Nano Focusing of Soft X-Rays by a New Capillary Mirror Optic
(
Taylor & Francis
,
2018
).
36.
J.
Avila
,
A.
Boury
,
B.
Caja-Muñoz
,
C.
Chen
,
S.
Lorcy
, and
M. C.
Asensio
,
J. Phys.: Conf. Ser.
849
,
012039
(
2017
).
37.
P.
Dudin
,
P.
Lacovig
,
C.
Fava
,
E.
Nicolini
,
A.
Bianco
,
G.
Cautero
, and
A.
Barinov
,
J. Synchrotron Radiat.
17
,
445
(
2010
).
38.
H.
Iwasawa
,
P.
Dudin
,
K.
Inui
,
T.
Masui
,
T. K.
Kim
,
C.
Cacho
, and
M.
Hoesch
,
Phys. Rev. B
99
,
140510
(
2019
).
39.
E.
Rotenberg
and
A.
Bostwick
,
J. Synchrotron Radiat.
21
,
1048
(
2014
).
40.
Y.
Mao
,
D.
Zhao
,
S.
Yan
,
H.
Zhang
,
J.
Li
,
K.
Han
,
X.
Xu
,
C.
Guo
,
L.
Yang
, and
C.
Zhang
,
Light: Sci. Appl.
10
,
1
(
2021
).
41.
K.
Gotlieb
,
Z.
Hussain
,
A.
Bostwick
,
A.
Lanzara
, and
C.
Jozwiak
,
Rev. Sci. Instrum.
84
,
093904
(
2013
).
42.
F.
Ji
,
T.
Shi
,
M.
Ye
,
W.
Wan
,
Z.
Liu
,
J.
Wang
,
T.
Xu
, and
S.
Qiao
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
177601
(
2016
).
43.
C.
Jozwiak
,
J.
Graf
,
G.
Lebedev
,
N.
Andresen
,
A. K.
Schmid
,
A. V.
Fedorov
,
F.
El Gabaly
,
W.
Wan
,
A.
Lanzara
, and
Z.
Hussain
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
053904
(
2010
).
44.
C.
Jozwiak
,
C.-H.
Park
,
K.
Gotlieb
,
C.
Hwang
,
D.-H.
Lee
,
S. G.
Louie
,
J. D.
Denlinger
,
C. R.
Rotundu
,
R. J.
Birgeneau
, and
Z.
Hussain
,
Nat. Phys.
9
,
293
(
2013
).
45.
Z.-H.
Zhu
,
C.
Veenstra
,
S.
Zhdanovich
,
M.
Schneider
,
T.
Okuda
,
K.
Miyamoto
,
S.-Y.
Zhu
,
H.
Namatame
,
M.
Taniguchi
, and
M.
Haverkort
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
076802
(
2014
).
46.
M.
Erbudak
and
N.
Müller
,
Appl. Phys. Lett.
38
,
575
(
1981
).
47.
E. D.
Schaefer
,
S.
Borek
,
J.
Braun
,
J.
Minár
,
H.
Ebert
,
K.
Medjanik
,
D.
Kutnyakhov
,
G.
Schönhense
, and
H.-J.
Elmers
,
Phys. Rev. B
95
,
104423
(
2017
).
48.
D.
Tillmann
,
R.
Thiel
, and
E.
Kisker
,
Z. Phys. B: Condens. Matter
77
,
1
(
1989
).
49.
R.
Bertacco
,
M.
Merano
, and
F.
Ciccacci
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
2050
(
1998
).
50.
A. H.
Firester
,
M. E.
Heller
, and
P.
Sheng
,
Appl. Opt.
16
,
1971
(
1977
).
51.
X. J.
Zhou
,
B.
Wannberg
,
W. L.
Yang
,
V.
Brouet
,
Z.
Sun
,
J. F.
Douglas
,
D.
Dessau
,
Z.
Hussain
, and
Z.-X.
Shen
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
142
,
27
(
2005
).
52.
Y.-J.
Hao
,
P.
Liu
,
Y.
Feng
,
X.-M.
Ma
,
E. F.
Schwier
,
M.
Arita
,
S.
Kumar
,
C.
Hu
,
M.
Zeng
, and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. X
9
,
041038
(
2019
).
53.
Y. J.
Chen
,
L. X.
Xu
,
J. H.
Li
,
Y. W.
Li
,
H. Y.
Wang
,
C. F.
Zhang
,
H.
Li
,
Y.
Wu
,
A. J.
Liang
, and
C.
Chen
,
Phys. Rev. X
9
,
041040
(
2019
).
54.
H.
Li
,
S.-Y.
Gao
,
S.-F.
Duan
,
Y.-F.
Xu
,
K.-J.
Zhu
,
S.-J.
Tian
,
J.-C.
Gao
,
W.-H.
Fan
,
Z.-C.
Rao
, and
J.-R.
Huang
,
Phys. Rev. X
9
,
041039
(
2019
).
55.
T.
Okuda
,
Y.
Takeichi
,
Y.
Maeda
,
A.
Harasawa
,
I.
Matsuda
,
T.
Kinoshita
, and
A.
Kakizaki
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
123117
(
2008
).
56.
C.
Jozwiak
,
J. A.
Sobota
,
K.
Gotlieb
,
A. F.
Kemper
,
C. R.
Rotundu
,
R. J.
Birgeneau
,
Z.
Hussain
,
D.-H.
Lee
,
Z.-X.
Shen
, and
A.
Lanzara
,
Nat. Commun.
7
,
1
(
2016
).
57.
M.
Escher
,
N. B.
Weber
,
M.
Merkel
,
L.
Plucinski
, and
C. M.
Schneider
,
e-J. Surf. Sci. Nanotechnol.
9
,
340
(
2011
).
58.
A.
Winkelmann
,
D.
Hartung
,
H.
Engelhard
,
C.-T.
Chiang
, and
J.
Kirschner
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
083303
(
2008
).
You do not currently have access to this content.