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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Messung der Spinpolarisation eines Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl auf ein Target aus kondensierter Materie auftrifft und der vom Target absorbierte Strom gemessen wird, wobei die Strahlenergie in der Nähe derjenigen Energie liegt, bei der für einen unpolarisierten Strahl ein dem Betrag nach minimaler absorbierter Strom auftritt.
2. Verfahren zur Messung der Spinpolarisation nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Achse der Messanordnung längs derer der Polarisationsgrad gemessen wird, periodisch durch mechanische Rotation des Targets, durch Anlegen eines elektrischen oder elektromagnetischen Ablenkfeldes oder durch Umkehren der Targetmagnetisierung umgepolt wird und der im Target absorbierte Strom phasenempfindlich mit der Umpolfrequenz gemessen wird.
3. Verfahren zur Messung der Spinpolarisation nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsgrad des Strahles durch ein magnetisches Feld oder eine Kombination elektrischer und magnetischer Felder oder durch Beeinflussung der Strahlquelle moduliert wird und der absorbierte Strom phasenempfindlich bezüglich der Modulation gemessen wird.
4. Verfahren zur Messung der Spinpolarisation nach einem der Patentansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärker zur Messung des absorbierten Stromes auf der Rückseite des Targets direkt aufgebracht ist und/ oder zur Unterdrückung des Rauschens auf tiefe Temperaturen abgekühlt wird, oder dass das Target als Schwingkondensator ausgebildet ist.
5. Verfahren zur Messung der Spinpolarisation nach einem der Patentansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladung gemessen wird, die sich infolge des absorbierten Stromes auf dem Target nach einer frei wählbaren Integrationszeit ansammelt.
6. Verfahren zur Messung der Spinpolarisation nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie E0, bei welcher der Betrag des absorbierten Stromes minimal wird, mittels Aufbringen von Chemikalien auf die Targetoberfläche, durch Anlegen einer Vorspannung oder durch Änderung des Einfallswinkels des Elektronenstrahls variiert wird.
7. Verfahren zur Messung der Spinpolarisation nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf dem Target mittels zweier zueinander senkrecht stehender periodischer elektrischer und/ oder magnetischer Ablenkfelder eine geschlossene Bahn beschreibt und das Target entweder als magnetisierter Ring bzw. Polygon oder als Kegelstumpf ausgebildet ist, und neben dem absorbierten Strom auch seine Phase bezüglich der Ablenkfelder bestimmt wird.
8. Verfahren zur Messung der Spinpolarisation nach einem der Patentansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Target ein ferromagnetisches, ferrimagnetisches oder antiferromagnerisches Material mit mindestens 2 nicht identischen Gitterplätzen der magnetischen Atome und/oder zwei oder mehr unterschiedlichen magnetischen Atomen in den obersten Schichten ist.
9. Verfahren zur Messung der Spinpolarisation nach einem der Patentansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des Strahles periodisch variiert wird und der im Target absorbierte Strom phasenempfindlich mit dieser Variation gemessen wird.
10. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 zum Abfragen der Information eines magnetischen Speichers, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierte Muster mit einem spinpolarisierten Elektronenstrahl geeigneter Energie, dessen Spinpolarisation periodisch umpolbar ist, bestrahlt wird und dabei je nach relativer Richtung von Spinpolarisation und Magnetisierung positive oder negative Strompulse abgibt.
Elektronen besitzen ein Eigendrehmoment oder Spin von 1/2 n, wo n das Plancksche Wirkungsquantum ist. Die Spins einer Gesamtheit von Elektronen können ganz oder teilweise in eine beliebige Richtung im Raum ausgerichtet sein. Man spricht dann von spinpolarisierten oder kurz polarisierten Elektronen. Der Polarisationsgrad P ist definiert als der Spinrichtungserwartungswert in einer festen Raumrichtung und kann die Werte - 1 P < + 1 annehmen. Bisher wurde die Spinpolarisation eines Strahls von Elektronen hauptsächlich durch differentielle Streuung gemessen. Dabei gelangt nur ein Bruchteil von weniger als 10-3 des Primärstrahles in die rechts und links vom Streutarget aufgestellten beiden Elektronenzähler und die Analysierstärke ist auch bei den besten Targets höchstens 0.3.
Das bedeutet, dass selbst bei einem vollständig senkrecht zur Streuebene polarisierten Strahl das Verhältnis der Zählraten links/rechts weniger als 1.85 beträgt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zur Messung der Spinpolarisation, das wesentlich einfacher und zudem effektiver als die geschilderten Streuexperimente ist.
Mit diesem neuen Verfahren ist es z.B. möglich, die Spinpolarisation, die beim Austritt von Elektronen aus fester, flüssiger und gasförmiger Materie oder Atomkernen auftreten kann, direkt zu messen. Damit erhält man neuartige Informationen über die Materie, insbesondere den Magnetismus und die Spin-Bahnkopplung. Bei Festkörpern ist z.B. der Oberflächenmagnetismus von wachsender technischer Bedeutung, der wegen der geringen Austrittstiefe von Photo- oder Sekundärelektronen empfindlich getestet wird. Auf der anderen Seite kann man aber mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens spinabhängige Wechselwirkungen eines Elektronenstrahls mit dem zu untersuchenden Objekt, die sich in einer Änderung der Spinpolarisation äussern, direkt messen.
Damit erhält man zusätzliche Informationen oder Kontraste.; Der 4. Freiheitsgrad des Elektrons, nämlich die Ausrichtung des Spins, wird durch das erfindungsgemässe Verfahren zur Messung der Spinpolarisation von Elektronenstrahlen der Anwendung in Forschung und Technik eigentlich erst zugänglich gemacht. Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf der bekannten Tatsache, dass kondensierte Materie beim Beschuss mit primären Elektronen Sekundärelektronen emittieren kann. Die Emission der Sekundärelektronen setzt bei einer Energie von einigen Elektronenvolt der Primärelektronen ein. Bei vielen Stoffen nimmt die Ausbeute an Sekundärelektronen mit wachsender Energie E der Primärelektronen rasch zu und erreicht Werte grösser 1.
Misst man nun den Strom iabs, der im Target absorbiert wird, so ist dieser Strom abhängig von der Intensität i0 und der Energie E des primären Elektronenstrahles. Allgemein gilt bei allen Energien der Erhaltungssatz: so = 1abs + 1gcstr..
wo igeStr. der vom Target in alle Richtungen gestreute Elektronenstrom ist. Mit wachsendem E nimmt nun igeStr wegen der Produktion von Sekundärelektronen zu. Daraus folgt, dass iabs abnehmen muss. Schliesslich erreicht man bei den Materialien mit einer Sekundärelektronenausbeute grösser 1 eine Energie E0, bei der iabS durch Null geht für einen nicht polarisierten Primärstrahl. Die Streuprozesse an Materie hängen aber vom Elektronenspin ab. Es ist z.B. sehr wohl bekannt,
dass in der differentiellen elastischen oder inelastischen Elektronenstreuung an Materie, bei der sowohl Energie als auch der Streuwinkel genau definiert sind, sowohl die Spin-Bahnals auch die Austausch-Kopplung für eine Spinabhängigkeit der Streuquerschnitte sorgen. Sobald nun aber links und rechts nicht gleichwertig sind, bewirkt die Spin-Bahnkopplung eine Spinabhängigkeit auch in der diffusen Streuung. Bei ferromagnetischen Materialien wirkt zusätzlich die Aus tauschkopplung, welche wegen der symmetriebrechenden Wirkung der Magnetisierung auch bei geometrisch völliger
Gleichwertigkeit von links und rechts spinabhängige Effekte in der diffusen Streuung erzeugt. Dabei kann auch ein Material Verwendung finden, dessen gesamte Magnetisierung null ist, aber lediglich an der Oberfläche eine oder mehrere ganz oder teilweise ausgerichtete Schichten besitzt.
Wegen der geringen Eindringtiefe der Elektronen kommt es ganz generell nur auf die obersten Atomlagen an. Weiterhin kann auch ein ferri- oder antiferromagnetisches Material Verwendung finden, wenn nur mindestens 2 verschieden wertige Atome der gleichen Sorte und/oder mindestens 2 verschiedene Atomsorten oder mindestens 2 unterschiedliche Gitterplätze für eine unterschiedliche Streuung der Elektronen sorgen, so dass trotz verschwindender oder kleiner äusserer Magnetisierung die Spinabhängigkeit der Streuprozesse an den entgegengesetzt magnetisierten Gitterplätzen sich nicht aufhebt. Die spinabhängigen Prozesse bewirken nun, dass die Energie, bei der iabs = 0, von der Ausrichtung der Spins bezüglich einer durch die Aufstellung bzw. die Magnetisierung der Absorberfolie gegebenen z-Achse abhängig wird.
Im Falle der Spin Bahnkopplung ist die z-Achse durch die Streuebene gegeben, welche vom einfallenden Primärstrahl und der Normalen der Target-Oberfläche bzw. der Normalen auf der streuenden Netzebene aufgespannt wird. Im Falle der Austauschkopplung ist die z-Achse durch die Richtung der Magnetisierung bzw. der dominant streuenden Magnetisierung bestimmt. In Fig. list dargestellt, dass eine Nullstelle von i+abS für vollständige Polarisation des einfallenden Primärstrahles von P = + 1 bei E+0 und eine solche von i-abs für P = - 1 bei E-o auftritt. Dieses Phänomen kann offensichtlich zur Polarisationsmessung dienen.
Um die Polarisation eines Primärstrah les zu messen, kann man die Energie E-o < EPo ¯ EP, zu E+o be- stimmen, bei der iPabS = 0 ist (Nullmethode). Aus EPo ergibt sich nach vorheriger Eichung mit einem Strahl bekannter Polarisation der P-Wert des Primärstrahles. Andererseits kann man auch bei der festen Energie Eo bei der i abS = 0 für einen unpolarisierten Strahl, den absorbierten Strom iabs (Eo) für den polarisierten Strahl messen. Es ist:
P = iabS (Eo) / i abs (Eo) wo i+abS (Eo) der absorbierte Strom für einen vollständig in der z-Achse polarisierten Primärstrahl ist.
Es gilt weiter i+abS (Eo) = n 'i,, wo 11 der Bruchteil des vollpolarisierten Primärstrahls ist, der absorbiert wird. 11 ist eine dimensionslose Konstante < 1, die vom Material und von der Geometrie der Anordnung abhängig ist.
Mit I gilt P = iabs (Eo) / n (igestr. (Eo) + iabs (Eo) II
Zur Polarisationsbestimmung muss man also den bei Eo absorbierten Strom messen und ausserdem die Intensität i0 des Primärstrahles kennen oder aber den absorbierten und den in alle Richtungen gestreuten Strom messen. rl muss wiederum durch eine Eichmessung mit einem Strahl von bekanntem P bestimmt werden.
Falls n < < 1 gilt näherungsweise: P = (1/11) (iahs/igestr.). In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann man den absorbierten Strom iabs (EPo) bei der Energie EPo messen, bei der dieser vor der Wechselwirkung des Primärstrahls mit dem zu untersuchenden Objekt 0 ist. Treten nun bei der Wechselwirkung mit dem Objekt irgendwelche Veränderungen der Polarisation auf, z.B. Spinflips durch Erzeugung von Magnonen, so kön nen diese äusserst empfindlich nachgewiesen werden.
Die Energie Eo muss mit einem Strahl unpolarisierter Elektronen bestimmt werden. Eo kann auf verschiedene Weise nach oben und unten verschoben werden, da es in empfindlicher Weise von der Sekundäremission abhängt. Durch Aufbringen von Chemikalien auf die Oberfläche lässt sich Eo nach höheren oder niedrigeren Energien verschieben, ebenso durch Veränderung des vom Elektronenstrahl und Streutargentnormalen eingeschlossenen Winkels a. Durch Anlegen einer negativen Vorspannung an die Targetoberfläche wird die Sekundäremission dagegen erniedrigt und Eo verschiebt sich zu höheren Energien.
Ein anderer wichtiger Parameter ist die Energiedifferenz A = E+o-E-o zwischen der Nullstelle von i+abS und i-abS. Aus der Figur 1 geht hervor, dass die Energiebreite 8E des zu messenden Elektronenstrahls nicht in die Eichung eingeht, falls 8E < A. Falls diese Bedingung nicht erfüllt ist, muss mittels Entfaltung o.ä. die Energieverteilung der Primärelektronen für die Absolutbestimmung von P berücksichtigt werden. A ist durch die relative Grösse der spinabhängigen Streuprozesse in Vergleich zu den spingemittelten Prozessen bei der Energie Eo rund durch den Winkel, unter dem i abS die Abszisse schneidet, gegeben.
Verschiebt man also Eo mittels einer der oben angegebenen Verfahren, so ändert sich auch A und 11. Dadurch und durch die Auswahl des Tar getmaterials lassen sich für jedes Messproblem geeignete Bedingungen finden. Bei der Auswahl des Targetmaterials sind auch noch praktische Bedingungen massgebend, wie z.B. dass die Oberfläche leicht gereinigt werden kann und auch unter mässigen Vakuumbedingungen lange Zeit stabil ist. Es kann unter Umständen vorteilhaft sein, eine passivierte Oberfläche zu verwenden, bei der die oberste Schicht chemisch inaktiv ist.
Viele Verfahren zur Herstellung wohldefinierter und stabiler Oberflächen sind heute allgemein bekannt. Sehr günstig ist es auch, durch Heizen des Targetmaterials die Segregation einer erwünschten Atomsorte an der Oberfläche zu bewerkstelligen, so dass vor jeder Messung eine frische Oberfläche gebildet wird.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Energieabhängigkeit des in einem Target absorbierten Stromes für einen vollständig parallel oder antiparallel zur z-Achse polarisierten (P = +1 oder P = -1) sowie für einen unpolarisierten (P = 0) primären Elektronenstrahl.
Fig. 2 stellt eine Vorrichtung zur Messung der Polarisation eines Elektronenstrahles mit nichtmagnetischem ebenen Target dar.
Fig. 3 stellt eine ebensolche Vorrichtung dar, jedoch ist das Target hier von dreieckigem Querschnitt, und der Elektronenstrahl kann durch ein elektrisches Feld abgelenkt werden, so dass er alternierend auf die linke oder rechte Seite des Targets auftrifft.
Fig. 4 stellt eine Vorrichtung zur Messung der Polarisation eines Elektronenstrahles mit magnetischem ebenen Tar get dar, wobei die Richtung der Magnetisierung des Targets mittels eines Elektromagneten umgepolt werden kann.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Spinbahnkopplung die spinabhängigen Streuprozesse erzeugt.
Der Primärstrahl 1 wird durch eine oder mehrere Blenden 2 in seiner Richtung definiert, passiert durch ein Loch in der Auf tängerschale 3 und fällt auf das schräg gestellte Target 4.
Durch den Einfallswinkel a * 0 des Primärstrahles ist die Symmetrie zwischen links und rechts gebrochen. Die z-Achse steht senkrecht auf der Zeichenebene. Der im Target 4 absorbierte Strom wird mittels eines üblichen Strommessgerätes gemessen. Eventuell kann die erste Verstärkerstufe direkt auf der Rückseite des Targets 4 angebracht sein. Ebenso kann das Verstärkerrauschen zur Messung kleinster Ströme mittels Kühlung auf tiefe Temperaturen unterdrückt sein. Mit der Auffängerschale 3 ist ebenfalls ein Strommessgerät zur Messung von igeStr. verbunden. Die innere Fläche der Schale 3 ist aufgeraut und mit einem Material geringen Streuvermögens für Elektronen beschichtet, so dass hier möglichst alle auftreffenden Elektronen auch absorbiert und somit gemessen werden.
Falls die Polarisation des Primärstrahls nicht umgepolt werden kann, ist eine Rotation des Targets um die Achse 5 vorgesehen. Bei Rotation um 1800 ändert iabs (Eo) sein Vorzeichen, so dass ein mit der Rotation in Phase stehendes Wechselstromsignal erhalten wird, welches sich leichter messen lässt. Der Drehwinkel, bei dem iabs maximal wird, ergibt diejenige z-Achse, entlang derer der Elektronenstrahl maximal po larisiert ist. Man kann also mit dieser Anordnung beliebige transversale Polarisationen messen.
Es kann vorteilhaft sein, die Richtung der Polarisation des Elektronenstrahls mittels magnetischer oder einer Kombination von magnetischen und elektrischen Feldern oder von der Quelle her periodisch zu modulieren, ev. bevor der Elektronenstrahl mit einem Objekt in Wechselwirkung tritt, und dann mögliche Phasen-Verschiebungen oder Veränderungen dieser Modulation bzw. die Modulation selbst bei feststehender z-Achse des Detektors äusserst empfindlich nachzuweisen. Auch sehr kleine Polarisationsgrade lassen sich so messen. Dieses Verfahren ist bekannt zum Nachweis kleinster Polarisationseffekte des Lichtes und lässt sich nun mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens auch auf Elektronenstrahlen anwenden.
Zur Messung kleinster Elektronenströme wird das Target isoliert, und man bestimmt nach genügend langer Zeit die Ladung, auf die es sich infolge spinabhängiger Elektronenabsorption aufgeladen hat. Aus der Grösse der Ladung und der Integrationszeit lässt sich iabS ermitteln. Eventuell kann das Target auch als
Schwingkondensator ausgebildet sein. Mit dem bekannten
Schwingkondensatorelektrometer lassen sich kleinste Ladun gen messen.
In der Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des erfin dungsgemässen Verfahrens dargestellt. Die Einfallsrichtung des Elektronenstrahls wird durch die Blenden 6, von denen die zweite zwei Löcher 7 und 8 besitzt, definiert. Der Strahl passiert durch ein Loch ins Innere der Auffängerschale 9 und trifft auf das Target 10 von dreieckigem Querschnitt. Der
Spitzenwinkel ç des Dreiecks bestimmt zusammen mit den
Blenden 6 den Einfallswinkel a des Strahls auf die Streuflä che. Der im Target 10 absorbierte Strom wird wie oben be schrieben gemessen. Je nach Ablenkspannung am Kondensa tor 11 trifft der Strahl entweder durch das Loch 7 oder 8 auf die rechte oder linke Seite des Targets.
Damit ändert sich das
Vorzeichen von iabs (Eo) in Phase mit der Ablenkspannung am
Kondensator, wodurch ein messtechnischer Vorteil gegen über der Messung kleinster Gleichströme erzielt wird. Der mittlere Strom auf der Auffängerschale 9 liefert dann genau die Intensität des Primärstrahles, da iabs (Eo) nach G1. I links addiert und rechts subtrahiert wird. Es können auch zwei zu einander senkrecht stehende Ablenkfelder angebracht sein, mit denen der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls am Target auf einer Kreisbahn geführt wird, wobei das Target als Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet ist. Damit ist es wieder mög lich, den Polarisationsgrad bezüglich einer beliebigen trans versalen z-Achse zu messen, diesmal ohne dass eine mechani sche Rotation erfolgen muss.
In Fig. 4 ist schliesslich ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Austauschstreuung die spinabhängigen Streuprozesse verursacht. Der Primärstrahl 12 mit der Energie Eo trifft hier senkrecht auf das ferromagnetische Target 13, welches mit einem Hufeisenmagneten 14 mit Windung 15 in der Zeichenebene wechselweise nach oben oder unten magnetisiert werden kann. Die z-Achse liegt hier in der Zeichenebene parallel zur Magnetisierung. Es ist vorteilhaft, die remanente Magnetisierung des Hufeisenmagneten so zu wählen, dass sie gerade genügt, das Target magnetisch auszurichten. Dann sind die schädlichen Streufelder minimal. Dies kann durch Wahl eines entsprechend hohen Stromstosses durch die Spule 15 geschehen.
Zur Ummagnetisierung des Targets wird ein entgegengesetzt gerichteter Stromstoss durch die Spule 15 geschickt. iabs (Eo) wird nun wie geschildert gemessen, und zwar periodisch abwechselnd bei positiver und negativer Magnetisierung des Targets. iabs (Eo) ändert dann periodisch sein Vorzeichen, wodurch wiederum die vorteilhafte phasenempfindliche Messung ermöglicht wird. Die diffus gestreuten Elektronen werden mittels der Auffängerschale 16 gemessen. Eine oder mehrere Eintrittsblenden 17 definieren den Strahl. Das magnetische Target kann auch ein geschlossener Ring sein, der ohne freie Pole und damit streufeldfrei remanent oder permanent magnetisiert ist. Statt eines Rings kann auch ein eckiger Rahmen (Polygon) Verwendung finden.
Der Ring ist nun aber im Gegensatz zu Fig. 4 senkrecht zur Strahlachse aufgestellt und mittels elektrischer oder elektromagnetischer Ablenkfelder kann der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls periodisch die Ringoberfläche bzw. Polygonoberfläche in einer geschlossenen Bahn überstreichen. Wiederum ergibt sich der Polarisationsgrad und die Richtung der transversalen z Achse, bei der P maximal ist, ohne dass eine mechanische Drehung ausgeführt werden muss.
Den drei Ausführungsbeispielen des erfindungsgemässen Verfahrens ist es gemeinsam, dass neben dem Polarisationsgrad P längs einer beliebig wählbaren z-Achse auch die Intensität i0 des Primärstrahles erhalten wird. Weiterhin müssen elektronenoptische Elemente vorhanden sein, um den Primärstrahl auf die Energie Eo zu bringen, bevor er in die Anordnung eintritt. Letztlich kann man eine Spannung V zwischen Auffängerschale und Target anlegen. Ist der negative Pol von V am Target, so werden die gestreuten Elektronen auf den Auffänger hin beschleunigt und damit unempfindlicher gegen magnetische und elektrische Störfelder. Ist dagegen der positive Pol von V am Target, so werden die langsamen Elektronen zurückgehalten und Eo erhöht sich.
Die vom relativen Winkel zwischen Spinpolarisation und Magnetisierung abhängige Aufladung eines magnetischen Materials, wenn dieses mit einem polarisierten Strahl der Energie Eo beschossen wird, kann auch dazu ausgenützt werden, um die in der Magnetisierungsrichtung und -Stärke enthaltene Information eines magnetischen Speichers rasch abzufragen. Wegen der Oberflächenempfindlichkeit der Elektronen braucht der Speicher nur wenige Atomlagen dick zu sein und ein ladungsempfindlicher Verstärker kann direkt auf der Rückseite integriert aufgebracht sein.
Weiterhin kann natürlich auch die zweite Nullstelle von iabs, die bei höheren Energien auftritt, wenn die Ausbeute an Sekundärelektronen wieder kleiner als 1 wird, in ganz analoger Weise zur Messung der Spinpolarisation benützt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich auch hervorragend dazu, Vielfachdetektoren herzustellen. Durch ein dispersives Element kann der Primärstrahl je nach Energie flächenhaft auf einem aus vielen einzelnen Detektoren bestehenden Target auftreffen. Damit kann z.B. simultan eine ganze Energie- und Spinpolarisationsverteilungskurve erhalten werden.
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PATENT CLAIMS
1. A method for measuring the spin polarization of an electron beam, characterized in that the beam strikes a target made of condensed matter and the current absorbed by the target is measured, the beam energy being close to the energy at which an unpolarized beam Amount after minimal absorbed current occurs.
2. A method for measuring the spin polarization according to claim 1, characterized in that the z-axis of the measuring arrangement along which the degree of polarization is measured, is periodically reversed by mechanical rotation of the target, by applying an electrical or electromagnetic deflection field or by reversing the target magnetization and the current absorbed in the target is measured phase-sensitive with the polarity reversal.
3. A method for measuring the spin polarization according to claim 1 or 2, characterized in that the degree of polarization of the beam is modulated by a magnetic field or a combination of electrical and magnetic fields or by influencing the beam source and the absorbed current is measured phase-sensitive with respect to the modulation.
4. A method for measuring the spin polarization according to one of the claims 1, 2 or 3, characterized in that an amplifier for measuring the absorbed current is applied directly to the back of the target and / or is cooled to low temperatures to suppress the noise, or that the target is designed as an oscillating capacitor.
5. A method for measuring the spin polarization according to one of the claims 1, 2 or 3, characterized in that the charge is measured which accumulates on the target after a freely selectable integration time as a result of the absorbed current.
6. A method for measuring the spin polarization according to claim 1 or 2, characterized in that the energy E0, at which the amount of current absorbed is minimal, by applying chemicals to the target surface, by applying a bias or by changing the angle of incidence of the electron beam is varied.
7. The method for measuring the spin polarization according to claim 1, characterized in that the point of impact of the electron beam on the target by means of two mutually perpendicular periodic electrical and / or magnetic deflection fields describes a closed path and the target either as a magnetized ring or polygon or as Truncated cone is formed, and in addition to the absorbed current, its phase with respect to the deflection fields is determined.
8. A method for measuring the spin polarization according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the target is a ferromagnetic, ferrimagnetic or antiferromagnerisches material with at least 2 non-identical lattice sites of the magnetic atoms and / or two or more different magnetic atoms in the top layers.
9. A method for measuring the spin polarization according to one of the claims 1, 2 or 3, characterized in that the energy of the beam is varied periodically and the current absorbed in the target is measured with this variation in a phase-sensitive manner.
10. Application of the method according to claim 1 for querying the information of a magnetic memory, characterized in that the magnetized pattern is irradiated with a spin-polarized electron beam of suitable energy, the spin polarization of which can be periodically reversed, and depending on the relative direction of spin polarization and magnetization positive or emits negative current pulses.
Electrons have an internal torque or spin of 1/2 n, where n is Planck's constant. The spins of a set of electrons can be wholly or partially oriented in any direction in space. One then speaks of spin-polarized or short-polarized electrons. The degree of polarization P is defined as the spin direction expected value in a fixed spatial direction and can take the values - 1 P <+ 1. So far, the spin polarization of a beam of electrons has mainly been measured by differential scattering. Only a fraction of less than 10-3 of the primary beam reaches the two electron counters placed to the right and left of the scattering target, and the analysis strength is at most 0.3 even for the best targets.
This means that even with a beam polarized completely perpendicular to the scattering plane, the ratio of the count rates left / right is less than 1.85.
The present invention now relates to a method for measuring spin polarization, which is much simpler and more effective than the scattering experiments described.
With this new method it is e.g. possible to directly measure the spin polarization that can occur when electrons emerge from solid, liquid and gaseous matter or atomic nuclei. This provides novel information about matter, especially magnetism and spin-orbit coupling. For solids, e.g. the surface magnetism of increasing technical importance, which is sensitive tested because of the small exit depth of photo or secondary electrons. On the other hand, however, with the aid of the method according to the invention, spin-dependent interactions of an electron beam with the object to be examined, which are expressed in a change in the spin polarization, can be measured directly.
This gives you additional information or contrasts .; The fourth degree of freedom of the electron, namely the alignment of the spin, is actually only made accessible for use in research and technology by the method according to the invention for measuring the spin polarization of electron beams. The method according to the invention is based on the known fact that condensed matter can emit secondary electrons when bombarded with primary electrons. The emission of the secondary electrons starts at an energy of a few electron volts of the primary electrons. For many substances, the yield of secondary electrons increases rapidly with increasing energy E of the primary electrons and reaches values greater than 1.
If one now measures the current iabs, which is absorbed in the target, this current is dependent on the intensity i0 and the energy E of the primary electron beam. In general, the conservation law applies to all energies: so = 1abs + 1gcstr ..
where igeStr. is the electron current scattered from the target in all directions. With increasing E, igeStr now increases due to the production of secondary electrons. It follows that iabs must lose weight. Finally, with materials with a secondary electron yield greater than 1, an energy E0 is reached, with iabS going through zero for a non-polarized primary beam. The scattering processes on matter depend on the electron spin. It is e.g. very well known
that in differential elastic or inelastic electron scattering on matter, in which both energy and the scattering angle are precisely defined, both the spin orbit and the exchange coupling ensure a spin dependence of the scattering cross sections. However, as soon as left and right are not equivalent, the spin-orbit coupling causes a spin dependency even in the diffuse scattering. In the case of ferromagnetic materials, the exchange coupling also acts, which, owing to the symmetry-breaking effect of the magnetization, also works completely geometrically
Equivalence of left and right spin-dependent effects created in the diffuse scattering. A material can also be used here, the total magnetization of which is zero, but only has one or more fully or partially aligned layers on the surface.
Because of the low penetration depth of the electrons, it is generally only the uppermost atomic layers that matter. Furthermore, a ferromagnetic or antiferromagnetic material can also be used if only at least 2 different atoms of the same type and / or at least 2 different atom types or at least 2 different lattice sites ensure a different scattering of the electrons, so that despite the vanishing or small external magnetization the spin dependence of the scattering processes at the oppositely magnetized lattice sites does not disappear. The spin-dependent processes now have the effect that the energy at which iabs = 0 depends on the alignment of the spins with respect to a z-axis given by the installation or magnetization of the absorber film.
In the case of spin-orbit coupling, the z-axis is given by the scattering plane, which is spanned by the incident primary beam and the normal to the target surface or the normal to the scattering network plane. In the case of the exchange coupling, the z-axis is determined by the direction of the magnetization or the dominant scattering magnetization. FIG. 1 shows that a zero of i + abS for complete polarization of the incident primary beam of P = + 1 occurs at E + 0 and that of i-abs for P = - 1 occurs at E-o. This phenomenon can obviously serve to measure polarization.
In order to measure the polarization of a primary beam, one can determine the energy E-o <EPo ¯ EP, to E + o, where iPabS = 0 (zero method). After prior calibration with a beam of known polarization, EPo gives the P-value of the primary beam. On the other hand, with the fixed energy Eo at i abS = 0 for an unpolarized beam, the absorbed current iabs (Eo) for the polarized beam can also be measured. It is:
P = iabS (Eo) / i abs (Eo) where i + abS (Eo) is the absorbed current for a primary beam fully polarized in the z-axis.
Furthermore i + abS (Eo) = n 'i, where 11 is the fraction of the fully polarized primary beam that is absorbed. 11 is a dimensionless constant <1, which depends on the material and the geometry of the arrangement.
With I applies P = iabs (Eo) / n (igestr. (Eo) + iabs (Eo) II
To determine the polarization, one must therefore measure the current absorbed at Eo and also know the intensity i0 of the primary beam, or measure the absorbed current and the current scattered in all directions. rl must again be determined by a calibration measurement with a beam of known P.
If n <<1 the following applies approximately: P = (1/11) (iahs / igestr.). In a further embodiment of the method according to the invention, the absorbed current iabs (EPo) can be measured at the energy EPo, at which it is 0 before the primary beam interacts with the object to be examined. If there are any changes in polarization when interacting with the object, e.g. Spin flips from the generation of magnons can be detected very sensitively.
The energy Eo must be determined with a beam of unpolarized electrons. Eo can be shifted up and down in a number of ways as it is sensitive to the secondary emission. By applying chemicals to the surface, Eo can be shifted to higher or lower energies, just as by changing the angle a included by the electron beam and the scattering agent norm. By applying a negative bias to the target surface, however, the secondary emission is reduced and Eo shifts to higher energies.
Another important parameter is the energy difference A = E + o-E-o between the zero of i + abS and i-abS. It can be seen from FIG. 1 that the energy width 8E of the electron beam to be measured is not included in the calibration if 8E <A. If this condition is not met, unfolding or the like must be used. the energy distribution of the primary electrons are taken into account for the absolute determination of P. A is given by the relative size of the spin-dependent scattering processes in comparison to the spin-average processes at the energy Eo around the angle at which i abS intersects the abscissa.
If one moves Eo using one of the methods specified above, then A and 11 also change. This and the selection of the target material make it possible to find suitable conditions for every measurement problem. When selecting the target material, practical conditions are also decisive, such as that the surface can be easily cleaned and is stable for a long time even under moderate vacuum conditions. It may be advantageous to use a passivated surface where the top layer is chemically inactive.
Many processes for producing well-defined and stable surfaces are generally known today. It is also very favorable to bring about the segregation of a desired atom type on the surface by heating the target material, so that a fresh surface is formed before each measurement.
1 shows a section of the energy dependence of the current absorbed in a target for a completely parallel or anti-parallel to the z-axis polarized (P = +1 or P = -1) and for an unpolarized (P = 0) primary electron beam.
Fig. 2 shows a device for measuring the polarization of an electron beam with a non-magnetic plane target.
Fig. 3 shows such a device, but the target here is triangular in cross-section and the electron beam can be deflected by an electric field so that it strikes the left or right side of the target alternately.
4 shows a device for measuring the polarization of an electron beam with a magnetic planar target, the direction of the magnetization of the target being able to be reversed by means of an electromagnet.
2 shows an exemplary embodiment in which the spin-orbit coupling generates the spin-dependent scattering processes.
The primary beam 1 is defined by one or more diaphragms 2 in its direction, passes through a hole in the catcher shell 3 and falls on the inclined target 4th
The symmetry between left and right is broken by the angle of incidence a * 0 of the primary beam. The z-axis is perpendicular to the drawing plane. The current absorbed in the target 4 is measured using a conventional current measuring device. The first amplifier stage can possibly be attached directly to the rear of the target 4. Likewise, the amplifier noise for measuring the smallest currents can be suppressed by cooling to low temperatures. With the collecting tray 3 is also a current measuring device for measuring igeStr. connected. The inner surface of the shell 3 is roughened and coated with a material with a low scattering power for electrons, so that as far as possible all impinging electrons are also absorbed and thus measured.
If the polarization of the primary beam cannot be reversed, the target is rotated about axis 5. When rotating around 1800, iabs (Eo) changes its sign so that an alternating current signal that is in phase with the rotation is obtained and is easier to measure. The angle of rotation at which iabs becomes maximum results in that z-axis along which the electron beam is maximally polarized. With this arrangement one can measure any transverse polarization.
It may be advantageous to periodically modulate the direction of polarization of the electron beam by means of magnetic or a combination of magnetic and electrical fields or from the source, possibly before the electron beam interacts with an object, and then possible phase shifts or changes to detect this modulation or the modulation extremely sensitively, even when the detector has a fixed z-axis. Even very small degrees of polarization can be measured in this way. This method is known for detecting the smallest polarization effects of light and can now also be applied to electron beams with the aid of the method according to the invention.
To measure the smallest electron currents, the target is isolated and after a sufficiently long time the charge to which it has been charged as a result of spin-dependent electron absorption is determined. IabS can be determined from the size of the load and the integration time. The target can possibly also be used as
Vibration capacitor can be formed. With the well-known
Vibration capacitor electrometers can measure the smallest charges.
3 shows another embodiment of the method according to the invention. The direction of incidence of the electron beam is defined by the diaphragms 6, the second of which has two holes 7 and 8. The beam passes through a hole in the interior of the collecting bowl 9 and strikes the target 10 of triangular cross section. The
Point angle ç of the triangle is determined together with the
Apertures 6, the angle of incidence a of the beam on the scattering surface. The current absorbed in the target 10 is measured as described above. Depending on the deflection voltage at the capacitor 11, the beam either hits through the hole 7 or 8 on the right or left side of the target.
That changes that
Sign of iabs (Eo) in phase with the deflection voltage on
Capacitor, which gives a measurement advantage over the measurement of the smallest direct currents. The average current on the collecting tray 9 then delivers exactly the intensity of the primary beam, since iabs (Eo) according to G1. I is added on the left and subtracted on the right. Two deflection fields perpendicular to one another can also be attached, with which the point of impact of the electron beam on the target is guided on a circular path, the target being designed as a cone or truncated cone. This again makes it possible to measure the degree of polarization with respect to any transverse z-axis, this time without the need for mechanical rotation.
4 shows an embodiment in which the exchange scattering causes the spin-dependent scattering processes. The primary beam 12 with the energy Eo strikes the ferromagnetic target 13 perpendicularly here, which can be magnetized alternately upwards or downwards with a horseshoe magnet 14 with a winding 15 in the plane of the drawing. The z axis lies parallel to the magnetization in the plane of the drawing. It is advantageous to choose the remanent magnetization of the horseshoe magnet so that it is just sufficient to magnetically align the target. Then the harmful stray fields are minimal. This can be done by choosing a correspondingly high current surge through the coil 15.
To reverse magnetize the target, an oppositely directed current surge is sent through the coil 15. iabs (Eo) is now measured as described, periodically alternating with positive and negative magnetization of the target. iabs (Eo) then periodically changes its sign, which in turn enables the advantageous phase-sensitive measurement. The diffusely scattered electrons are measured by means of the collecting shell 16. One or more inlet shutters 17 define the beam. The magnetic target can also be a closed ring which is remanent or permanently magnetized without free poles and thus without stray field. Instead of a ring, an angular frame (polygon) can also be used.
In contrast to FIG. 4, the ring is now set up perpendicular to the beam axis and by means of electrical or electromagnetic deflection fields, the point of impact of the electron beam can periodically sweep over the ring surface or polygon surface in a closed path. In turn, the degree of polarization and the direction of the transverse z axis, at which P is maximum, are obtained without a mechanical rotation having to be carried out.
It is common to the three exemplary embodiments of the method according to the invention that, in addition to the degree of polarization P along an arbitrarily selectable z-axis, the intensity i0 of the primary beam is also obtained. Furthermore, electron-optical elements must be present in order to bring the primary beam to the energy Eo before it enters the arrangement. Ultimately, a voltage V can be applied between the collecting bowl and the target. If the negative pole of V is at the target, the scattered electrons are accelerated towards the collector and thus less sensitive to magnetic and electrical interference fields. If, on the other hand, the positive pole of V is at the target, the slow electrons are retained and Eo increases.
The charging of a magnetic material, which is dependent on the relative angle between spin polarization and magnetization, when it is bombarded with a polarized beam of energy Eo, can also be used to quickly query the information of a magnetic memory contained in the magnetization direction and strength. Because of the surface sensitivity of the electrons, the memory only needs to be a few atomic layers thick and a charge-sensitive amplifier can be integrated directly on the back.
Furthermore, the second zero point of iabs, which occurs at higher energies when the yield of secondary electrons again becomes less than 1, can of course also be used in an analogous manner for measuring the spin polarization.
The method according to the invention is also outstandingly suitable for producing multiple detectors. A dispersive element allows the primary beam to strike a target consisting of many individual detectors, depending on the energy. With this e.g. an entire energy and spin polarization distribution curve can be obtained simultaneously.