JP2011029077A - 偏極イオンビーム発生装置と偏極イオンビーム発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光ポンピングを用いることなく量子ビートを利用して偏極イオンビームを発生させることを課題とした。
【解決手段】上記課題を解決するために、偏極イオンビーム発生装置は、無偏極のイオンビームを発生するイオン源と、当該イオン源からの無偏極イオンビームを標的に入射するビーム輸送手段と、この標的表面の原子から弾性散乱された偏極イオンを取り出すイオン取出し手段とからなることを特徴とする手段を採用した。
また前記標的が、散乱イオン強度に関して量子ビートに起因する磁気振動を発現する物質であることを特徴とする偏極イオンビーム発生装置を作成した。
さらに、偏極イオンビーム発生方法は、イオン源から無偏極のイオンビームを標的に照射し、当該標的における散乱イオン強度の量子ビートに起因する磁気振動により、前記標的から弾性散乱された偏極イオンを取り出すことを特徴とする手段を用いた。
【選択図】 図５

Description

本発明は、偏極イオンビームを発生させる偏極イオンビーム発生装置と偏極イオンビーム発生方法に関する。

ある特定のスピン角運動量を有するイオンのビーム（偏極イオンビーム）は物質分析のプローブに広く用いられている。放電等の従来技術で発生させたイオンビームは偏極してないので、偏極イオンビームを発生させるには何らかの方法で人為的にスピンを揃える必要がある。これはこれまで光ポンピングでなされてきた。光ポンピングには、十分な強度で、なおかつ励起に対応したイオン毎に異なる特定の波長の光を用意する必要がある。この課題はレーザー光を利用することでこれまで解決されてきたが、レーザーで発生可能な光の波長領域には制限があること、また波長が異なれば波長板等の光学素子を交換する必要があることから、偏極イオンビームのイオン種を変えることは容易ではなかった。

本発明は、このような実情に鑑み、光ポンピングを用いることなく量子ビートを利用して偏極イオンビームを発生させることを課題とした。

発明１の偏極イオンビーム発生装置は、無偏極のイオンビームを発生するイオン源と、当該イオン源からの無偏極イオンビームを標的に入射するビーム輸送手段と、この標的表面の原子から弾性散乱された偏極イオンを取り出すイオン取出し手段とからなることを特徴とする。
発明２は、発明１の偏極イオンビーム発生装置において、前記標的は、散乱イオン強度に関して量子ビートに起因する磁気振動を発現する物質であることを特徴とする偏極イオンビーム発生装置。

発明３の偏極イオンビーム発生方法は、イオン源から無偏極のイオンビームを標的に照射し、当該標的における散乱イオン強度の量子ビートに起因する磁気振動により、前記標的から弾性散乱された偏極イオンを取り出すことを特徴とする。

本発明は、標的表面と入射イオンとの間の相互作用に起因する量子ビートを利用して無偏極のイオンビームから偏極イオンビームを得ることができたので、光ポンピングを用いなくても偏極イオンビームを発生させることが出来た。また、適当なポンピング光が無いために、これまで光ポンピングでは偏極できなかったイオン種についても、偏極させることが可能となった。

参考例で用いた量子ビートによって偏極イオンビームが発生することを実証するための装置の概略。 参考例においてイオンの標的表面における散乱を示す模式図。入射角α、出射角β、散乱角θの定義が示される。 参考例において金（１１１）単結晶表面で測定された散乱イオンの運動エネルギースペクトル。入射イオンは１．５４ｋｅＶのＨｅ^＋であり、入射角αは０°、出射角βは３０°、散乱角θは１５０°である。１４２８ｅＶの棒は、金の２体衝突エネルギーを示す。 参考例において（イ）図３の金ピーク位置（１４２０ｅＶ）の散乱イオン強度を、入射イオンのスピン別（↑または↓）にコイル電流の関数として調べた結果である。（ロ）（イ）の結果から計算されたスピン非対称率をコイル電流の関数としてプロットした結果である。 実施例の量子ビートを利用した偏極イオンビームの発生装置と、これを利用したスピン偏極イオン散乱分光による試料表面の磁気構造分析装置。 実施例の装置を用いて様々な標的について、スピン非対称率をコイル電流の関数としてプロットした結果である。 実施例の装置を用いて磁気振動するスピン非対称率のフーリエ解析から得られた振動振幅を、様々な５ｄ遷移金属元素に対してプロットした結果である。 実施例の装置を用いて磁気振動するスピン非対称率のフーリエ解析を、入射エネルギーを変え、さまざまな散乱エネルギーに対してプロットした結果である。

量子ビートは量子力学的な干渉が起こる準位を有する粒子で一般的に起こる現象であることは既に示されている（非特許文献２，３）。本発明では、標的表面における入射イオンの量子ビートを利用することで、実施例に記載されたＨｅ^＋以外のスピンを有する全てのイオンを入射イオンに利用することが出来るようになった。

本発明では、量子ビートは入射イオンが標的表面で励起中性原子に変換された結果起こる。この変換は、実施例に記載された金、プラチナ、ビスマス、鉛、イリジウム以外の物質を標的に用いた際にも起こる一般的な現象であることは既に知られている。（非特許文献５）したがって、標的としては、入射イオンを励起中性原子に変換できるものであれば何でもよい。

実施例では散乱イオンの偏極を示したが、同様な量子ビートは透過イオンに対しても起きることが既に知られている（非特許文献６，７）。したがって、本発明の方法は、透過イオンの偏極に対しても利用することが出来る。

実施例では散乱エネルギーとして５８０ｅＶから１５５０ｅＶの範囲で量子ビートによって偏極イオンビームが発生出来ることが示された。このエネルギーの範囲としては、まず高エネルギー側の極限としては７５０ｋｅＶで量子ビートが既に観測されているので（非特許文献６）、本発明の方法によって７５０ｋｅＶまでのエネルギーのイオンを偏極することが出来る。次に低エネルギー側の極限に関しては、量子ビートに必要な励起中性原子は入射イオンによる電子の運動エネルギー放出によって起こり、これは２０ｅＶ以下のエネルギー領域で確認されている（非特許文献８）。したがって、本発明の方法によって２０ｅＶから７５０ｋｅＶのエネルギーを持つ偏極イオンビームの発生が可能である。

参考例

図１は、量子ビートによって偏極イオンビームが発生することを実証するための装置の全体構成を示す。本装置は、偏極イオンビームを発生するイオン源、イオンビーム輸送系、標的とその周りの磁場制御用コイル、散乱イオンを取り出す分析器とその検出系とから構成されている。本装置では、まず光ポンピングによって偏極イオンビームを発生させ、次にこれを標的に入射し、最後にその表面から散乱されるイオンの強度を入射イオンのスピン別に調べることが出来る。つまり、本装置によって、散乱イオン強度の入射イオンスピン依存性を調べることが出来る。
図１の装置は公知文献１及び２のスピン偏極イオン散乱分光装置に類似した装置なので、図１に関する本参考例では公知文献１及び２と相違する点を中心に記述する。

前記イオン源は、以下の構成からなる。
高周波放電管（１）に所望のガスをバリアブルリークバルブを介して導入する。本参考例では、ガス種としてヘリウムを用いた。このガスを、高周波電源（２）、マッチングユニット（３）、高周波電極（４）を用いて放電させる。次に、この放電によって生じたプラズマの中に存在する準安定ヘリウム原子（Ｈｅ^＊， ２^３Ｓ_１）に、波長１０８３ｎｍの光（ポンピング光（５））を照射することで偏極する。ポンピング光の発生には、光ファイバーレーザー（６）、光ファイバー増幅器（７）、光ポンピング用光学素子（８）を用いる。この光ポンピングの結果生じた偏極準安定ヘリウム原子（Ｈｅ^＊， ２^３Ｓ_１）の間でペニングイオン化（Ｈｅ^＊＋Ｈｅ^＊→Ｈｅ＋Ｈｅ^＋＋ｅ⁻）が放電中で進行する。このペニングイオン化反応の前後でスピン角運動量は保存するので、Ｈｅ^＊が偏極していると発生するＨｅ^＋も偏極する。つまり、光ポンピングによってプラズマ中に偏極Ｈｅ^＋が発生することになる。偏極Ｈｅ^＋のスピンは１／２と−１／２の２種類があるが、この間のスピンの切り替えは光ポンピング用光学素子（８）に含まれる波長板を調整することで可能である。この偏極Ｈｅ^＋を、リペラー電極（９）と引き出し電極（１０）との間で発生させる電界によって、引き出し電極（１０）を経由してコンデンサーレンズ（１１）方向へ引き出す。

前記イオンビーム輸送系は、前記のようにして引き出した偏極イオンを、標的（１７）に輸送するもので、以下のように構成してある。
前記偏極イオンを、コンデンサーレンズ（１１）、フォーカシングレンズ（１２）、ディフレクター（１３）、アインツェルレンズ（１４）、減速器（１５）、ディフレクター（１６）によって標的（１７）まで輸送する。

前記標的とその周りの磁場制御用コイル、散乱イオンを取り出す分析器とその検出系は以下のように構成してある。
標的（１７）表面で散乱されたイオンの中である特定のエネルギーを持ったもののみを静電エネルギー分析器（１８）で取り出し、これを二次電子増倍管（１９）、プリアンプ（２０）、パーソナルコンピュータ（２１）で検出する。ある特定のエネルギーとは、標的表面を構成する元素の２体衝突エネルギーである。標的（２２）周辺の磁場は、コイル（２２）によって定義されている。
前記標的（２２）は、標的移動・回転機構（２３）によって、真空中で移動・回転することが出来る。

図２はイオンの標的（２２）表面における散乱を示す模式図である。入射角αは入射方向と表面法線方向とのなす角、出射角βは散乱方向と表面法線方向とのなす角、散乱角θは入射方向と散乱方向とのなす角と、それぞれ定義される。
標的（２２）は、標的移動・回転機構（２４）によって真空中で保持され、これを用いて標的を移動・回転することで、入射角、出射角、散乱角を定義することが出来る。
図３は、金（１１１）単結晶表面で測定された散乱イオンのエネルギースペクトルである。入射イオンとして１．５４ｋｅＶのＨｅ^＋を用い、αを０°、βを３０°、θを１５０°として測定されたものである。
またこの測定の前に、超高真空中で熱処理とアルゴンイオンによるスパッタリングを繰り返すことで、金（１１１）単結晶表面に清浄化処理を施した。スペクトルでは、５０ｅＶと１４２０ｅＶにピークが見られるが、それぞれ２次イオンピークと金の散乱ピークに相当する。金の散乱ピークのエネルギーは、図中に棒で示される二体衝突エネルギー（１４２８ｅＶ）によく一致する。

図４（イ）は、図３の金のピーク位置（１４２０ｅＶ）に相当する運動エネルギーを持った散乱Ｈｅ^＋のみが検出されるように静電エネルギー分析器（１８）の印加電圧（パスエネルギー３００ｅＶ）を調整し、散乱イオン強度をコイル（２２）の電流の関数として調べた結果である。
入射Ｈｅ^＋は光ポンピングによって偏極されており、図４ではその２種類のスピンが↑、↓で表されている。図４で示されるように、散乱された偏極Ｈｅ^＋イオンの強度はコイル（２２）の電流に比例する磁場の関数として振動し、さらにその位相は異なるスピンの間で１８０°異なっている。
この結果、↑と↓のスピンを持つＨｅ^＋の散乱強度をそれぞれＩ↑とＩ↓として、（Ｉ↑−Ｉ↓）／（Ｉ↑＋Ｉ↓）で定義されるスピン非対称率はコイル電流の関数として振動する（図４（ロ））。この磁気振動の起源は、量子ビートと呼ばれるＨｅ準位間の量子力学的な干渉である。

図４の結果は、ある特定の磁場において散乱イオン強度はイオンのスピンによって一般に異なることを示している。したがって、無偏極のイオンビームを標的に入射し、散乱イオンをある特定の磁場で取り出せば、この散乱イオンは偏極していることとなる。つまり、標的表面での量子ビートを利用して、スピン非対称率に相当する偏極率を有するイオンビームを発生させることが出来る。
具体的には表１に示す内容で、無偏極のＨｅ^＋イオンビームから偏極した散乱Ｈｅ^＋イオンを取り出すことができた。

散乱イオンのスピンの向きの切り替えは、磁場を調整することで達成される。つまり、スピン非対称率が極大又は極小となるコイル電流で散乱イオンを取り出せば、偏極率が最大のイオンビームが得られ、またイオンのスピンの向きはこの極大と極小となるコイル電流の間で切り替わる。なお、このスピンの向きは、表１における散乱イオンビーム偏極率の極性に対応している。

本実施例では、前記参考例の知見に基づき、量子ビートを利用して偏極イオンビームを発生させる装置（図５）を例示する。
まず、イオン源（２５、参考例に示すイオン源から光ポンピングのための構造を除いたもの）において無偏極のイオンビーム（２６）を発生させる。次に、これを標的（２７）に入射する。この標的としては、上述のように金（１１１）単結晶を用いることが出来る。入射イオンの入射角、出射角、散乱角は、標的移動・回転機構（２８、参考例と同様な構造とする）によって定義する。また、この標的の周囲の磁場はコイル（２９）とその電源（３０）によって予め定義しておく。この磁場の向きが、標的（２７）の表面で散乱されたイオンの出射方向と垂直の関係にならないように、標的移動・回転機構（２８）を調整する。そして、標的（２７）の表面から放出されるイオンの中で、標的表面の原子から弾性散乱されたイオンのみを電場偏向器（３１）によって取り出す。この弾性散乱されたイオンの強度は、上述のように量子ビートによって標的（２７）に入射するイオンのスピンに依存する。つまり、電場偏向器（３１）によって取り出されるイオンビーム（３２）は、偏極イオンビームである。

したがって、このイオンビームをスピン偏極イオン散乱分光装置（公知文献１及び２参照）の入射イオンビームとして用いることで、試料表面の磁気構造分析が可能となる。
この実施のためには、まず電場偏向器（３１）から取り出した偏極イオンビーム（３２）を試料（３３）に入射する。次に、試料（３３）の表面で散乱されたイオンを静電エネルギー分析器（３４）で取り出し、これを二次電子増倍管（３５）とプリアンプ（３６）とを用いてパルスカウントする。最終的に、プリアンプ（３６）からの出力パルスをパーソナルコンピュータ（３７）内に設置されたカウンターで計数し、この結果をパーソナルコンピュータ（３７）に記録させる。これが散乱イオン強度に相当する。また、パーソナルコンピュータ（３７）はコイル電源（３０）を制御する。即ち、パーソナルコンピュータ（３７）内に設置されたアナログ出力器からの電圧によってコイル電源（３０）から供給されるコイル電流をリモートコントロールする。これによって、量子ビートによって発生する偏極イオンビームのスピンの向きを制御する。このように偏極イオンビームのスピンの向きが制御可能であることは、偏極イオンビームを物質表面分析のプローブとして使用する際に必要な要件である。なぜなら、偏極イオンビームのスピンの向きによる物質表面からの散乱イオン強度の差から、この物質表面の磁性に関する情報が得られるからである。

本装置における標的（２７）としては、金（１１１）単結晶以外にも様々な材料を標的として利用することが出来る。このことを実証するのが図６のデータである。図６では、金（１１１）単結晶、プラチナ多結晶、ビスマス（０００１）単結晶、鉛多結晶、イリジウム多結晶の結果が示されている。
すべての標的において、図４と同様な磁気振動が見られることから、これらの標的を利用して偏極イオンビームが発生可能である。図６の測定は、それぞれの標的元素の二体衝突エネルギーに対応する散乱イオンについて調べた結果である。入射エネルギー、入射角α、出射角β、散乱角θは、図３および図４と同じである。

図７は、標的元素依存性を示す。これは、スピン非対称率をコイル電流の関数として調べ、そこに現れる磁気振動をフーリエ解析して得られた振動振幅を様々な５ｄ遷移金属元素についてプロットした結果である。スピン非対称率は散乱イオンビームの偏極率に比例するので、より大きな偏極率を有する散乱イオンビームを得るには、図７の振幅がより大きな標的を用いればよい。図７の結果は、５ｄ遷移金属元素を標的に利用して偏極イオンビームを得る際、より大きな偏極率を得るには標的として金を用いることが好ましいことを示している。

図８は、エネルギー依存性を示す。これは、スピン非対称率をコイル電流の関数として調べ、そこに現れる磁気振動のフーリエ解析を入射エネルギーを変化させ、様々な散乱エネルギーに対してプロットした結果である。散乱エネルギーが大きくなると振動振幅も大きくなることから、より大きな偏極率のイオンビームはより大きな入射エネルギーで得られることが示される。
表２において、１）は、入射イオンをＨｅ^＋イオン、入射角を０°、出射角を３０°、散乱角を１５０°とした際の標的表面から弾性散乱されたイオンビームのエネルギーを示し、また２）は、標的から２００ｍｍ離れた位置に設置された直径１００ｍｍの２０回巻コイルによって標的の表面法線に磁場印加して得られた前記弾性散乱イオンビームの偏極率である。
１Ａのコイル電流は、大凡０．１Ｇａｕｓｓ程度の試料位置での磁場に対応する。

産業分野で広く用いられている磁気抵抗効果素子では、しばしば磁性体・非磁性体界面の磁気的構造の解明が求められている。本発明により可能となった偏極イオンビームをプローブとして用いることによって、その詳細な解明が可能になると期待される。他方、イオン注入技術に代表されるように、イオンビームを用いた材料の改質や整形は広く行われている。本発明により可能となった偏極イオンビームを用いることによって、新たにスピンを制御することで、より高度な材料創成が可能になると期待される。

１．光ファイバーレーザー
２．光ファイバー増幅器
３．光ポンピング用光学素子
４．ポンピング光
５．マッチングユニット
６．高周波電源
７．リペラー電極
８．引き出し電極
９．高周波放電管
１０．高周波電極
１１．コンデンサーレンズ
１２．フォーカシングレンズ
１３．ディフレクター
１４．アインツェルレンズ
１５．減速器
１６．ディフレクター
１７．標的
１８．静電エネルギー分析器
１９．２次電子増倍管
２０．プリアンプ
２１．パーソナルコンピュータ
２２．コイル
２３．標的移動・回転機構
２４．標的移動・回転機構
２５．イオン源
２６．無偏極イオンビーム
２７．標的
２８．標的移動・回転機構
２９．コイル
３０．コイル電源
３１．静電偏向器
３２．偏極イオンビーム
３３．試料
３４．静電エネルギー分析器
３５．二次電子増倍管
３６．プリアンプ
３７．パーソナルコンピュータ
３８．量子ビートを利用した偏極イオンビームの発生装置

ＷＯ２００８／０６９１１０ Ａ１ 特開２００８−１３５３０８

Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ， Ｙ．Ｙａｍａｕｃｈｉ， Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ５７５ （２００７） ３４３−３４６． Ｒ．Ｔ．Ｃａｒｔｅｒ， Ｊ．Ｒ．Ｈｕｂｅｒ， Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． Ｒｅｖ． ２９ （２０００）３０５−３１４． 土屋荘次、分光研究４１ （１９９２） ３−２０． Ｈ．Ｗｉｎｔｅｒ， ＰＨＹＳＩＣＳ ＲＥＰＯＲＴＳ−ＲＥＶＩＥＷ ＳＥＣＴＩＯＮ ＯＦ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ３６７ （２００２） ３８７−５８２． Ｅ．Ｗ．Ｔｈｏｍａｓ， Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ １０ （１９８０） ３８３−４９０． Ｄ．Ａ．Ｃｈｕｒｃｈ， Ｃ．Ｈ．Ｌｉｕ， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ ５ （１９７２） １０３１−１０３６． Ｃ．Ｈ．Ｌｉｕ， Ｓ．Ｂａｓｈｋｉｎ， Ｗ．Ｓ．Ｂｉｃｋｅｌ， Ｔ．Ｈａｄｅｉｓｈｉ， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２６ （１９７１） ２２２−２２４． Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ， Ｙ．Ｙａｍａｕｃｈｉ， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ７７ （２００８） ０２２９０２． Ｄ．Ｌ．Ｂｉｘｌｅｒ， Ｊ．Ｃ．Ｌａｎｃａｓｔｅｒ， Ｆ．Ｊ．Ｋｏｎｔｕｒ， Ｒ．Ａ．Ｐｏｐｐｌｅ， Ｆ．Ｂ．Ｄｕｎｎｉｎｇ， Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ７０ （１９９９） ２４０−２４１． Ｅ．Ｗ．Ｗｅｂｅｒ， Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｐｏｒｔｓ ３２ （１９７７） １２３−１６７．

Claims (3)

1. 偏極イオンビームを発生させる偏極イオンビーム発生装置であって、無偏極のイオンビームを発生するイオン源と、当該イオン源からの無偏極イオンビームを標的に入射するビーム輸送手段と、この標的表面の原子から弾性散乱された偏極イオンを取り出すイオン取出し手段とからなることを特徴とする偏極イオンビーム発生装置。
2. 請求項１に記載の偏極イオンビーム発生装置において、前記標的は、散乱イオン強度に関して量子ビートに起因する磁気振動を発現する物質であることを特徴とする偏極イオンビーム発生装置。
3. 偏極イオンビーム発生方法であって、イオン源から無偏極のイオンビームを標的に照射し、当該標的における散乱イオン強度の量子ビートに起因する磁気振動により、前記標的から弾性散乱された偏極イオンを取り出すことを特徴とする偏極イオンビーム発生方法。