JP2967172B1 - Spin detection axis rotation type spin polarization scanning tunneling microscope - Google Patents

Spin detection axis rotation type spin polarization scanning tunneling microscope

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JP2967172B1
JP2967172B1 JP29573198A JP29573198A JP2967172B1 JP 2967172 B1 JP2967172 B1 JP 2967172B1 JP 29573198 A JP29573198 A JP 29573198A JP 29573198 A JP29573198 A JP 29573198A JP 2967172 B1 JP2967172 B1 JP 2967172B1
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light
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義茂 鈴木
英一 田村
ナブハン ワリッド
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

【要約】 【課題】 探針中の磁化の向きを外部の光によって自由
に制御することによって、任意の方位の磁化状態を検出
できるスピン偏極走査型トンネル顕微鏡の提供。 【解決手段】 本装置にはC3v型とC4v型があり、
共にSTM制御部、探針、レーザー光源、および位相検
波増幅器を構成要素とする。C3v型では一般楕円変調
器を、C4v型ではビーム分弁器および円偏光変調器を
構成要素とする。探針はそれぞれ軸方向にC3vおよび
C4vの対称性を持つGaAs等の直接遷移半導体で作
られる。探針にレーザを照射する。C3v型では照射光
の偏光を、C4v型では入射方位をそれぞれ変調するこ
とにより、探針内に目的のスピン検出方位に平行および
反平行なスピンを持ったキャリヤーを交互に発生させ、
その試料へのトンネル電流の変化を探針の位置を走査し
ながら位相検波増幅器で検出することにより、試料表面
の任意の方位のスピン偏極の2次元的な分布を測定す
る。
Abstract: PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin-polarized scanning tunneling microscope capable of detecting a magnetization state in an arbitrary direction by freely controlling the direction of magnetization in a probe with external light. SOLUTION: This device has a C3v type and a C4v type,
Both components include an STM control unit, a probe, a laser light source, and a phase detection amplifier. The C3v type has a general elliptical modulator, and the C4v type has a beam splitter and a circular polarization modulator as constituent elements. The probe is made of a direct transition semiconductor such as GaAs having C3v and C4v symmetry in the axial direction, respectively. Irradiate the probe with laser. By modulating the polarization of the irradiation light in the C3v type and the incident direction in the C4v type, carriers having spins parallel and anti-parallel to the target spin detection direction are alternately generated in the probe,
A two-dimensional distribution of spin polarization in an arbitrary direction on the sample surface is measured by detecting a change in tunnel current to the sample with a phase detection amplifier while scanning the position of the probe.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、スピン偏極走査型
トンネル顕微鏡に関し、特に磁性体表面の磁化状態を原
子のスケールで検出することを可能にしたスピン検出軸
回転型スピン偏極走査型トンネル顕微鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spin-polarized scanning tunneling microscope, and more particularly, to a spin-detecting axis-rotated spin-polarized scanning tunnel capable of detecting a magnetization state of a magnetic material surface on an atomic scale. For a microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡(STM)は、表
面の原子の並び方を原子分解能をもって観察することを
可能にした装置である。この装置では、W(タングステ
ン)やPt(プラチナ)等の非磁性金属探針を試料表面
上で走査する際に、試料と探針の間に流れるトンネル電
流を測定して原子像を得ることを基本原理としている。
しかし、この方法ではトンネル電流が試料の磁気状態と
直接関係しないので、試料の磁気状態に関する情報は得
られない。
2. Description of the Related Art A scanning tunneling microscope (STM) is an apparatus that enables observation of the arrangement of atoms on a surface with atomic resolution. In this apparatus, when a nonmagnetic metal probe such as W (tungsten) or Pt (platinum) is scanned on a sample surface, a tunnel current flowing between the sample and the probe is measured to obtain an atomic image. The basic principle.
However, in this method, information on the magnetic state of the sample cannot be obtained because the tunnel current is not directly related to the magnetic state of the sample.

【0003】一方、最近では、強磁性体の探針を片持ち
梁の先端につけて試料表面を走査し、探針が試料から受
ける磁気力を検出することによって、試料の磁気状態を
測定する磁気力顕微鏡(MFM)が実用化されている。
しかし、この方法は遠距離力である磁気力を用いるため
に空間分解能が悪いという問題がある。
On the other hand, recently, a ferromagnetic probe is attached to the tip of a cantilever to scan the surface of a sample and detect a magnetic force applied to the probe from the sample, thereby measuring a magnetic state of the sample. Force microscopes (MFM) have been put to practical use.
However, this method has a problem that the spatial resolution is poor because a magnetic force that is a long-distance force is used.

【0004】これらの問題を克服するために、スピン偏
極したトンネル電流を測定することにより、磁気情報を
得るスピン偏極トンネル顕微鏡(SP−STM)の技術
が開発されている。例えば、Wiesendanger(ビーゼンダ
ンゲル)等は、強磁性CrO2 (酸化クローム)探針を
用いて、反強磁性であるCrの表面の磁気状態を観察し
た(R.Wiesendanger,H.J.Guentherodt,G.G Guentherod
t,R.J.Gambino ,andR.Ruf,”Observation of vacuum t
unneling of spin-polarized electrons withthe scann
ing tunneling microscope ",Physical Review Letter
s,volume65,number 7(1990) page247-250.参照)。し
かし、この方法は強磁性探針を用いるために、試料の磁
気状態を探針の漏れ磁界が乱してしまうという問題があ
る。
In order to overcome these problems, a technique of a spin-polarized tunnel microscope (SP-STM) for obtaining magnetic information by measuring a spin-polarized tunnel current has been developed. For example, Wiesendanger et al. Observed the magnetic state of the antiferromagnetic Cr surface using a ferromagnetic CrO 2 (chromium oxide) probe (R. Wiesendanger, HJ Guentherodt, GG Guentherod).
t, RJGambino, andR.Ruf, ”Observation of vacuum t
unneling of spin-polarized electrons with the scann
ing tunneling microscope ", Physical Review Letter
s, volume 65, number 7 (1990) pages 247-250.). However, this method has a problem that the magnetic field of the sample is disturbed by the leakage magnetic field of the probe because the ferromagnetic probe is used.

【0005】そこで、GaAs(ガリウム砒素)のよう
な非磁性体の探針の内部に外部からの光照射によって、
少量の電子スピンを励起して、このスピンのトンネル電
流を測定する方法が提案されている。例えば、鈴木等は
GaAs探針を用いてCo(コバルト)薄膜の磁気ドメ
インを測定した(Y.Suzuki,W.Nabhan,and K.Tanaka,"Ma
gnetic domains of cobalt ultrathin films observed
with a scanning tunneling microscope using optical
ly pumped GaAs tips",Applied Physics Letters,volum
e71,number 21(1997)page3153-3155.参照)。この鈴木
等の測定では、試料表面に垂直に光を照射したため、装
置は磁化の試料表面に垂直な成分にのみに敏感であっ
た。
[0005] Therefore, by irradiating the inside of a probe made of a non-magnetic material such as GaAs (gallium arsenide) with light from the outside,
There has been proposed a method of exciting a small amount of electron spins and measuring the tunnel current of the spins. For example, Suzuki et al. Measured the magnetic domain of a Co (cobalt) thin film using a GaAs probe (Y. Suzuki, W. Nabhan, and K. Tanaka, "Ma
gnetic domains of cobalt ultrathin films observed
with a scanning tunneling microscope using optical
ly pumped GaAs tips ", Applied Physics Letters, volum
e71, number 21 (1997) pages 3153-3155.). In the measurement of Suzuki et al., Since the sample surface was irradiated with light perpendicularly, the apparatus was sensitive only to the component of magnetization perpendicular to the sample surface.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】一方、試料の磁化は磁
壁周辺などで空間中のいろいろな方向を向くことが知ら
れている。そのため、スピン偏極STM装置において
は、任意の方向の磁化を測定できることが望ましい。
On the other hand, it is known that the magnetization of a sample is directed in various directions in a space around a domain wall or the like. Therefore, in a spin-polarized STM device, it is desirable that magnetization in an arbitrary direction can be measured.

【0007】しかしながら、上述したように従来技術の
GaAs探針を用いたスピン偏極STMでは、測定可能
な磁化の方向を変えるために光の照射方向を変える必要
があり、その実現には実際上大変な困難が伴うという解
決すべき課題があった。また、膜面内方向のスピンを検
出するためには、直接遷移型半導体を用いた従来のスピ
ン偏極STMでは、光を膜面にほぼ水平に入射する必要
があるため、光の偏光が乱れやすく現在まで、磁気像の
観察に成功した例はない。
However, as described above, in the conventional spin-polarized STM using a GaAs probe, it is necessary to change the direction of light irradiation in order to change the direction of measurable magnetization. There was a problem to be solved that involved great difficulty. In addition, in order to detect spin in the in-plane direction of the film, in the conventional spin-polarized STM using a direct transition type semiconductor, it is necessary to make light substantially horizontally incident on the film surface. Until now, there has been no successful case of observing a magnetic image.

【0008】そこで、本発明の目的は、このような困難
を解決し、探針中の磁化の向きを外部の光によって自由
に制御することによって、任意の方位(方向)の磁化状
態を検出可能にしたスピン検出軸回転型スピン偏極走査
型トンネル顕微鏡を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to solve such a difficulty and to detect the magnetization state in an arbitrary azimuth (direction) by freely controlling the magnetization direction in the probe with external light. It is another object of the present invention to provide a spin detection axis-rotating spin-polarized scanning tunneling microscope.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明は、軸方向にC3vの対称性を持つ
GaAs等の直接遷移半導体で作られた探針と、前記探
針の軸方向にレーザー光を照射するレーザー光源と、該
照射光の偏光を目的のスピン検出方位に対応して定まる
2種の偏光の間で振動させることにより前記探針内に目
的のスピン検出方位に平行なスピンと反平行なスピンを
持ったキャリヤーを交互に発生させる一般楕円偏光変調
器と、前記キャリヤーの試料へのトンネル電流の変化を
検出する位相検波増幅器と、該位相検波増幅器で前記ト
ンネル電流の変化を検出しながら、前記探針を走査する
ことにより、前記試料表面の任意の方位のスピン偏極の
2次元的な分布を測定するSTM制御部とを具備するこ
とを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is directed to a probe made of a direct transition semiconductor such as GaAs having C3v symmetry in the axial direction, A laser light source for irradiating the laser light in the axial direction, and oscillating the polarized light of the irradiated light between two types of polarized light determined corresponding to the target spin detection direction, thereby forming the target spin detection direction in the probe. A general elliptical polarization modulator that alternately generates carriers having parallel spins and antiparallel spins, a phase detection amplifier that detects a change in tunnel current to the sample of the carrier, and the tunneling current detected by the phase detection amplifier. And an STM controller for measuring a two-dimensional distribution of spin polarization in an arbitrary direction on the sample surface by scanning the probe while detecting a change in the spin polarization.

【0010】ここで、好ましくは、スピン偏極の方位と
して極座標の(θ,φ)方位を検出する場合、前記一般
楕円偏光変調器による光の偏光変調は、
Preferably, when the (θ, φ) direction of the polar coordinates is detected as the direction of the spin polarization, the polarization modulation of the light by the general elliptical polarization modulator is

【0011】[0011]

【数2】 (Equation 2)

【0012】の間で行い、但し、λは楕円偏光の主軸と
x軸のなす角度、tan ωは楕円率であり、また、Py
x−直線偏光を照射したときに現れるy−方向のスピン
偏極度、Pz は右円偏光を照射したときに現れるz−方
向のスピン偏極度であり、変調周波数は10kHz以上
100kHz以下である。
Performed between the [0012], however, the angle of the main shaft with the x-axis of the λ is elliptically polarized light, tan omega is the ellipticity, also, P y is appearing y- direction when irradiated with x- linearly polarized light The spin polarization degree, P z, is the spin polarization degree in the z-direction that appears when irradiated with right circularly polarized light, and the modulation frequency is 10 kHz or more and 100 kHz or less.

【0013】また、好ましくは、前記C3vの対称性を
持つ探針として(111)方位に異方性エッチングによ
って尖らせたGaAs探針を用い、照射する前記レーザ
ー光源として半導体レーザー(1.4eVから1.8e
V)を用いる。
Preferably, a GaAs probe sharpened in the (111) direction by anisotropic etching is used as the probe having C3v symmetry, and a semiconductor laser (1.4 eV to 1.4 eV) is used as the laser light source for irradiation. 1.8e
V) is used.

【0014】また、好ましくは、前記探針の背面に窓材
としてGa1−xAlxAs層(0.1<x<1、厚さ
0.02から0.2mm)を持ち、該探針背面から光照
射し、該探針の長さは5μm以下200nm以上であ
る。
Preferably, a Ga1-xAlxAs layer (0.1 <x <1, thickness 0.02 to 0.2 mm) is provided as a window material on the back surface of the probe, and light is irradiated from the back surface of the probe. The length of the probe is not more than 5 μm and not less than 200 nm.

【0015】また、好ましくは、前記一般楕円偏光変調
器は、バビネソレイユ位相補償器と光弾性変調器により
構成される。
Preferably, the general elliptically polarized light modulator comprises a Babinet Soleil phase compensator and a photoelastic modulator.

【0016】上記目的を達成するため、請求項6の発明
は、レーザー光を発生するレーザー光源と、軸方向にC
4vの対称性を持つGaAs等の直接遷移半導体で作ら
れた探針と、該探針の軸方向および該軸と±45度程度
傾いた角度から該探針に前記レーザー光の直線偏光(p
波)を交互に照射することにより、該探針中に膜面の面
方向のスピンを持ったキャリヤーを交互に生成するビー
ム分弁器と、前記軸方向に照射する前記レーザー光を左
右円偏光変調することにより、前記探針中に膜面の垂直
方向上向きおよび下向きのスピンを持ったキャリヤーを
交互に生成する円偏光変調器と、前記キャリヤーの試料
へのトンネル電流の差を検出する位相検波増幅器と、該
位相検波増幅器で前記トンネル電流の差を検出しなが
ら、前記探針を走査することにより、前記試料表面の垂
直方向および面方向のスピン偏極の2次元的な分布を測
定するSTM制御部とを具備することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a sixth aspect of the present invention provides a laser light source for generating a laser beam and
A probe made of a direct transition semiconductor such as GaAs having a symmetry of 4v, and a linear polarization (p) of the laser beam applied to the probe from the axial direction of the probe and an angle inclined about ± 45 degrees with respect to the axis.
A beam splitter that alternately generates carriers having spins in the direction of the film surface in the probe by irradiating the laser light alternately with the probe. Circularly polarized light modulator that alternately generates carriers having spin upward and downward in the direction perpendicular to the film surface in the probe, and phase detection that detects the difference in tunnel current to the sample of the carrier. An STM for measuring a two-dimensional distribution of spin polarization in a vertical direction and a plane direction of the sample surface by scanning the probe while detecting a difference in the tunnel current with the amplifier and the phase detection amplifier. And a control unit.

【0017】ここで、好ましくは、前記円偏光変調器に
よる変調周波数は10kHz以上100kHz以下であ
る。
Here, the modulation frequency of the circular polarization modulator is preferably 10 kHz or more and 100 kHz or less.

【0018】また、好ましくは、前記C4vの対称性を
持つ探針として(100)方位に異方性エッチングによ
って尖らせたGaAs探針を用い、照射する前記レーザ
ー光源として半導体レーザー(1.4eVから1.8e
V)を用いる。
Preferably, a GaAs probe sharpened in the (100) direction by anisotropic etching is used as the probe having C4v symmetry, and a semiconductor laser (1.4 eV to 1.4 eV) is used as the laser light source for irradiation. 1.8e
V) is used.

【0019】また、好ましくは、前記探針の背面に窓材
としてGa1−xAlxAs層(0.1<x<1、厚さ
0.02から0.2mm)を持ち、該探針の背面から光
照射し、該探針の長さは5μm以下200nm以上であ
る。
Preferably, a Ga1-xAlxAs layer (0.1 <x <1, thickness 0.02 to 0.2 mm) is provided as a window material on the back surface of the probe, and light is emitted from the back surface of the probe. Irradiation is performed, and the length of the probe is not more than 5 μm and not less than 200 nm.

【0020】また、好ましくは、前記ビーム分弁器の光
線出射側で前記探針の背面に直径3mm以下の半球面レ
ンズを配置し、前記光線の入射角度の変化は、該光線の
該半球面レンズ上の入射位置を変化させることによって
行われ、該光線の半球面レンズ上の入射位置の変化は前
記ビーム分弁器を構成する鏡またはプリズムを振動させ
ることによって行われる。
Preferably, a hemispherical lens having a diameter of 3 mm or less is arranged on the back surface of the probe on the light emitting side of the beam splitter, and a change in the incident angle of the light beam is caused by changing the angle of incidence of the light beam. The change of the incident position on the lens is performed by changing the incident position on the lens, and the change of the incident position of the light beam on the hemispherical lens is performed by oscillating a mirror or a prism constituting the beam splitter.

【0021】また、好ましくは、前記STM制御部は、
前記試料または光学系全体を前記探針の軸に対して回転
することにより前記スピンの検出方位を試料面内で回転
させる。
Preferably, the STM control unit comprises:
By rotating the sample or the entire optical system with respect to the axis of the probe, the spin detection direction is rotated in the sample plane.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】まず、本発明の実施の形態の基本
構成を説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, a basic configuration of an embodiment of the present invention will be described.

【0023】本発明のスピン偏極STM装置では、Ga
As等の直接遷移型半導体探針の結晶学的対称性と巨視
的対称性を整えた上で、照射する光の偏光を制御するこ
とにより任意の方位のスピン偏極電子を得るものであ
り、このスピン偏極電子の強磁性試料へのトンネル電流
を測定することにより、任意の方向の磁化を局所的に検
出する。
In the spin-polarized STM device of the present invention, Ga
After adjusting the crystallographic symmetry and the macroscopic symmetry of a direct transition type semiconductor probe such as As, a spin-polarized electron of an arbitrary direction is obtained by controlling the polarization of the irradiation light, By measuring a tunnel current of the spin-polarized electrons to the ferromagnetic sample, magnetization in an arbitrary direction is locally detected.

【0024】一方、前述のGaAs探針を用いた従来の
スピン偏極STMでは、スピン依存光電子励起に関する
いわゆるFano効果(ファノ効果)のみを利用していた。
このため、励起されるスピンの向きは光の進行方向と平
行であった。
On the other hand, in the conventional spin-polarized STM using the above-mentioned GaAs probe, only the so-called Fano effect (Fano effect) relating to spin-dependent photoelectron excitation was used.
Therefore, the direction of the excited spin was parallel to the traveling direction of light.

【0025】これに対し、本発明では、スピン依存光電
子励起に関するいわゆるTamura-Fader効果(田村−フエ
ーダー効果)を用いることにより、光の進行方向と垂直
ないし任意の角度を持ったスピンの励起を可能にしてい
る。Tamura-Fader効果はその存在が理論的に予想され
(E.Tamura,W.Piepke,and R.Feder,"New spin −polari
zation effect in photoemission from nonmagnetic su
rfaces".Physical Review Letters,volume59,number
8,(1987),page934-937.参照)、さらに、Pt(プラチ
ナ)表面からの光電子放出において実験的に確認されて
いる(B.Schmiedeskamp,B.Vogt,and U.Heinzmann,"Expe
rimental verification of a new spin-polarization e
ffect in photoemission: polarized photoelectrons f
rom Pt(111) with linearly polarized radiation in n
ormal incidenceand normal emission",Physical Revi
ew Letters,volume60,number 7,(1988)page 651-654.
参照)。
On the other hand, in the present invention, by using the so-called Tamura-Fader effect relating to spin-dependent photoelectron excitation, it is possible to excite spins perpendicular to the light traveling direction or at an arbitrary angle. I have to. The existence of the Tamura-Fader effect is theoretically expected (E. Tamura, W. Piepke, and R. Feder, "New spin-polari
zation effect in photoemission from nonmagnetic su
rfaces ".Physical Review Letters, volume59, number
8, (1987), page 934-937), and further experimentally confirmed in photoemission from a Pt (platinum) surface (B. Schmiedeskamp, B. Vogt, and U. Heinzmann, "Expe").
rimental verification of a new spin-polarization e
ffect in photoemission: polarized photoelectrons f
rom Pt (111) with linearly polarized radiation in n
ormal incidence and normal emission ", Physical Revi
ew Letters, volume60, number 7, (1988) page 651-654.
reference).

【0026】本発明では、このTamura-Fader効果とFano
効果を組み合わせて用いることにより、探針の磁化の向
きを自由に制御し、任意の方向の磁化の測定を光の入射
方向を変えること無しに行うことを可能とするものであ
る。
In the present invention, the Tamura-Fader effect and Fano
By using the effects in combination, it is possible to freely control the magnetization direction of the probe and measure the magnetization in an arbitrary direction without changing the light incident direction.

【0027】本発明のスピン偏極STMでは、結晶構造
がC3v(複三方錐体)またはC4v(複正方錐体)の
対称性を持つ直接遷移型半導体を探針として用いる。C
3vの対称性を持つ直接遷移型半導体を探針として用い
た場合は、この探針の軸に平行にレーザー光を照射し、
一方、C4vの対称性を持つ直接遷移型半導体を探針と
して用いた場合は、この探針の軸と±45度程度の角度
を持ったレーザー光とその軸に平行なレーザー光を照射
する。
In the spin-polarized STM of the present invention, a direct transition type semiconductor having a crystal structure of C3v (compound triangular pyramid) or C4v (compound square pyramid) is used as a probe. C
When a direct transition type semiconductor having 3v symmetry is used as a probe, a laser beam is irradiated in parallel to the axis of the probe,
On the other hand, when a direct transition type semiconductor having C4v symmetry is used as a probe, a laser beam having an angle of about ± 45 degrees with the axis of the probe and a laser beam parallel to the axis are irradiated.

【0028】C3vの対称性の直接遷移型半導体を探針
として用いた場合は、照射する光を右円偏光および左円
偏光にすることによって、軸と平行または反平行にスピ
ン偏極したキャリヤー(伝導電子または正孔)を励起す
る。一方、この配置で直線偏光を照射することにより膜
面内にスピン偏極したキャリヤーを励起することができ
る。そのスピンの面内の方位は光の偏光面を回転するこ
とによって膜面内で回転する。従って、円偏光と直線偏
光を組み合わせることにより、空間の任意の方向を向い
たスピン偏極キャリヤーを励起することができる。
In the case where a direct transition type semiconductor having C3v symmetry is used as a probe, the irradiation light is made into a right-handed circularly polarized light and a left-handed circularly polarized light, so that the carrier is spin-polarized parallel or antiparallel to the axis ( (Conduction electrons or holes). On the other hand, by irradiating linearly polarized light in this arrangement, carriers that are spin-polarized in the film plane can be excited. The in-plane direction of the spin rotates in the film plane by rotating the polarization plane of the light. Therefore, by combining circularly polarized light and linearly polarized light, it is possible to excite a spin-polarized carrier oriented in an arbitrary direction in space.

【0029】今、膜面内の直行する2つの方向にxおよ
びy軸をとり、膜面に垂直な方向をz軸とし、照射した
光の電場ベクトルをジョーンズ表示で、
Now, the x and y axes are taken in two directions perpendicular to the film surface, the z-axis is a direction perpendicular to the film surface, and the electric field vector of the irradiated light is expressed in Jones notation.

【0030】[0030]

【数3】 (Equation 3)

【0031】と書く。x軸はC3vの一つの鏡面内にと
る。このとき、探針中に発生する電子(正孔)のスピン
偏極ベクトルは、
Write: The x-axis is in one mirror plane of C3v. At this time, the spin polarization vector of the electron (hole) generated in the probe is

【0032】[0032]

【数4】 (Equation 4)

【0033】となる。ここで、Py はx−直線偏光を照
射したときに現れるy−方向のスピン偏極度、Pz は右
円偏光を照射したときに現れるz−方向のスピン偏極度
である。一般の場合のスピン偏極度Pと極座標(θ,
φ)で表したスピン偏極の方位は、
## EQU1 ## Here, P y is x- linearly polarized light emerges when irradiated y- direction of the spin polarization, the P z is extremely appearing z- direction of the spin polarization when illuminated with right-circularly polarized light. Spin polarization P and polar coordinates (θ,
The direction of the spin polarization expressed by φ) is

【0034】[0034]

【数5】 (Equation 5)

【0035】となる。但し、(θ,φ)をz軸に(π/
2,0)をx軸に一致するようにとった。本装置は、照
射光の偏光を
## EQU1 ## Where (θ, φ) is (π /
2,0) was taken to match the x-axis. This device changes the polarization of irradiation light.

【0036】[0036]

【数6】 (Equation 6)

【0037】の間で変調することにより、探針中に
(θ,φ)方向の及び(π−θ,φ+π)方向のスピン
偏極を持った電子(正孔)を交互に生成する。これらの
キャリヤーの試料へのトンネル電流の差を位相検波増幅
器で検出しながら、探針を走査することにより、試料表
面の(θ,φ)方位のスピン偏極の2次元的な分布を測
定する。
By modulating between the above, electrons (holes) having spin polarization in the (θ, φ) direction and in the (π−θ, φ + π) direction are alternately generated in the probe. The two-dimensional distribution of the spin polarization in the (θ, φ) direction on the sample surface is measured by scanning the probe while detecting the difference in the tunnel current of these carriers to the sample with the phase detection amplifier. .

【0038】他方、C4vの対称性の直接遷移型半導体
を探針として用いた場合は、z軸方向に照射する光を左
右円偏光変調することにより、探針中に+z方向および
−z方向のスピン偏極を持つ電子(正孔)を交互に生成
する。これらのキャリヤーの試料へのトンネル電流の差
を位相検波増幅器で検出しながら、探針を走査すること
により、試料表面の垂直方向(z方向)のスピン偏極の
2次元的な分布を測定する。
On the other hand, when a direct transition type semiconductor having C4v symmetry is used as a probe, the light irradiated in the z-axis direction is subjected to right and left circularly polarized light modulation, so that the probe is moved in the + z direction and the −z direction in the probe. Electrons (holes) having spin polarization are generated alternately. The two-dimensional distribution of spin polarization in the vertical direction (z direction) on the sample surface is measured by scanning the probe while detecting the difference in tunnel current between these carriers and the sample with the phase detection amplifier. .

【0039】一方、直線偏光にした光線を、探針の軸か
ら+x方向および−x方向に45度程度傾いた方向から
探針に照射する。その偏光面は、x−z平面とする。+
x側に傾けた光照射では、+y(−y)方向にスピン偏
極した電子(または正孔)が探針中に励起される。−x
側に傾けた光照射では、−y(+y)方向にスピン偏極
した電子(または正孔)が探針中に励起される。これら
の光照射を交互に行い、それによって励起されたキャリ
ヤーの試料へのトンネル電流の差を位相検波増幅器で検
出しながら、探針を走査することにより、試料表面への
面内方向(y方向)のスピン偏極の2次元的な分布を測
定する。試料または光学系全体をz軸に対して回転する
ことにより、スピンの検出方位を試料面内で回転するこ
とができる。
On the other hand, the linearly polarized light beam is irradiated to the probe from a direction inclined at about 45 degrees in the + x direction and the -x direction from the axis of the probe. The plane of polarization is an xz plane. +
With light irradiation inclined to the x side, electrons (or holes) spin-polarized in the + y (-y) direction are excited in the probe. -X
With the light irradiation tilted to the side, electrons (or holes) spin-polarized in the -y (+ y) direction are excited in the probe. These light irradiations are performed alternately, and the probe is scanned while detecting the difference of the tunnel current of the carrier excited by the carrier to the sample by the phase detection amplifier, so that the in-plane direction (y direction) to the sample surface is obtained. ) Is measured. By rotating the sample or the entire optical system with respect to the z-axis, the spin detection direction can be rotated in the sample plane.

【0040】[0040]

【実施例】次に、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0041】まず、本発明の実施例についてC3v型と
C4v型について分けて説明する。
First, embodiments of the present invention will be described separately for the C3v type and the C4v type.

【0042】1.C3v型C3vの対称性を持つ直接遷
移型半導体を探針として用いたC3v型の装置の構成例
を図1に示す。ここで、11はC3vの対称性を持つ直
接遷移型半導体を探針とした半導体探針、12は光の偏
光の変調の様子、13は光の偏光変調を行う一般楕円偏
光変調器、14はレーザー光源、および15は試料であ
る。
1. FIG. 1 shows a configuration example of a C3v type device using a direct transition type semiconductor having a C3v type C3v symmetry as a probe. Here, 11 is a semiconductor probe using a direct transition semiconductor having C3v symmetry as a probe, 12 is a state of modulating light polarization, 13 is a general elliptical polarization modulator that performs light polarization modulation, and 14 is The laser light source and 15 are a sample.

【0043】図1の(a)の構成では図の上方からレー
ザー光源14、一般楕円偏光変調器13、半導体探針1
1、試料15の順に配列され、図1の(b)の構成で
は、図の下方からレーザー光源14、一般楕円偏光変調
器13、試料15、半導体探針11の順に配列され、そ
の構成要素の配列順序が異なっているが、両者ともC3
v型の装置として同等の作用をする。
In the configuration shown in FIG. 1A, a laser light source 14, a general elliptically polarized light modulator 13, and a semiconductor probe 1 are viewed from above.
1, the sample 15 is arranged in this order, and in the configuration of FIG. 1B, the laser light source 14, the general elliptically polarized light modulator 13, the sample 15, and the semiconductor probe 11 are arranged in this order from the bottom of the figure. Although the sequence order is different, both are C3
Acts the same as a v-type device.

【0044】まず、試料15上に探針11を垂直に接近
させてトンネル電流を得る。探針11は通常のSTMと
同様に、複数の走査用ピエゾ素子によって構成される周
知のピエゾスキャナー(後述の図5の52)に固定され
ており、x,y,zの各方向に自由に動かすことができ
る。ここで、探針11の軸方向をz方向とする。探針1
1をx−y平面内で走査するが、その走査する際に、探
針11の高さは通常のSTMと同じように、トンネル電
流を一定とするように、帰還回路(後述の図5参照)を
用いて制御する。この制御を行うSTM制御回路(後述
の図5の56)のバンド幅は後述の光の変調周波数より
も小さくする。例えば0から15kHzとする。
First, a tunnel current is obtained by vertically bringing the probe 11 close to the sample 15. The probe 11 is fixed to a well-known piezo scanner (52 in FIG. 5 described later) composed of a plurality of scanning piezo elements, similarly to a normal STM, and can be freely moved in each of x, y, and z directions. You can move it. Here, the axial direction of the probe 11 is defined as the z direction. Tip 1
1 is scanned in the xy plane, and at the time of the scanning, the height of the probe 11 is set to be the same as in a normal STM, and a feedback circuit (see FIG. ). The bandwidth of the STM control circuit (56 in FIG. 5 described later) that performs this control is set to be smaller than the light modulation frequency described later. For example, it is set to 0 to 15 kHz.

【0045】試料15は探針11に対向して探針11の
軸と垂直に台または保持部材(図示しない)に固定され
ている。図1の(a)に示すように、探針11には、そ
の裏側から探針11の軸と平行にレーザー光が照射され
ている。もちろん、図1の(b)に示すように、試料1
5の裏側から探針11にレーザー光を照射しても良い。
しかし、この場合は光の透過する試料しか測定できな
い。
The sample 15 is fixed to a stand or a holding member (not shown) so as to face the probe 11 and perpendicular to the axis of the probe 11. As shown in FIG. 1A, the probe 11 is irradiated with laser light from the back side thereof in parallel with the axis of the probe 11. Of course, as shown in FIG.
The probe 11 may be irradiated with laser light from the back side of the probe 5.
However, in this case, only a sample that transmits light can be measured.

【0046】レーザー光源14としては、探針11のバ
ンドギャップエネルギーと探針11の裏側の窓材のバン
ドギャップエネルギーの間のエネルギーの光を発生する
ものを用いる。このとき、光子のエネルギーが探針11
のバンドギャップエネルギーに近いことが望ましい。例
えば、探針11がGaAsで、窓材がGa0.7A1
0.3Asである場合は、1.43eVから1.80e
Vの間の光を出す半導体レーザーを光源として用いる。
その光強度は10mW程度が望ましい。
As the laser light source 14, a light source that generates light having an energy between the band gap energy of the probe 11 and the band gap energy of the window material on the back side of the probe 11 is used. At this time, the energy of the photons is
It is desirable that the energy be close to the band gap energy. For example, the probe 11 is made of GaAs, and the window material is Ga0.7A1.
In the case of 0.3 As, from 1.43 eV to 1.80 e
A semiconductor laser emitting light between V is used as a light source.
The light intensity is desirably about 10 mW.

【0047】半導体レーザー光源14と探針11の間に
は一般楕円偏光変調器13があり、この偏光変調器13
はレーザー光の偏光を任意の偏光(楕円偏光)にした上
で、その偏光に変調を加える。この偏光変調器13は、
例えば、バビネソレイユ位相補償器(後述の図5の13
a)と光弾性変調器(後述の図5の13c)により構成
される。半導体レーザー光の偏光面はそのバビネソレイ
ユ位相補償器の結晶軸と45度傾けて設置する。また、
バビネソレイユ位相補償器の結晶軸と光弾性変調器の結
晶軸は平行になるように設置する。
A general elliptically polarized light modulator 13 is provided between the semiconductor laser light source 14 and the probe 11.
Changes the polarization of the laser beam into an arbitrary polarization (elliptical polarization) and modulates the polarization. This polarization modulator 13
For example, a Babinet Soleil phase compensator (13 in FIG. 5 described later)
a) and a photoelastic modulator (13c in FIG. 5 described later). The polarization plane of the semiconductor laser light is set at an angle of 45 degrees with the crystal axis of the Babinet Soleil phase compensator. Also,
The crystal axis of the Babinet Soleil phase compensator and the crystal axis of the photoelastic modulator are set to be parallel.

【0048】このように構成した偏光変調器13におい
て、検出したいスピンの方位が極座標で(θ,φ)方向
である場合は、前述のように
In the polarization modulator 13 configured as described above, when the direction of the spin to be detected is the (θ, φ) direction in polar coordinates, as described above,

【0049】[0049]

【数7】 (Equation 7)

【0050】の2つの偏光の間で変調をかける。但し、
探針11のC3v対称性に対応する対称鏡面はφ=0の
方向に平行であるとする。この変調をかけるためには、
まず、バビネソレイユ位相補償器の位相ズレδを
A modulation is applied between the two polarized lights. However,
It is assumed that the mirror surface of the probe 11 corresponding to the C3v symmetry is parallel to the direction of φ = 0. To apply this modulation,
First, the phase shift δ of the Babinet Soleil phase compensator is

【0051】[0051]

【数8】 (Equation 8)

【0052】に合わせる。この状態で、レーザー光源1
4、バビネソレイユ位相補償器・光弾性変調器13の全
体を同時に回転して、レーザー光の偏光面を−φ/2の
方向に合わせる。光弾性変調器により、
Adjust to In this state, the laser light source 1
4. The entirety of the Babinet Soleil phase compensator / photoelastic modulator 13 is simultaneously rotated to adjust the polarization plane of the laser light in the direction of -φ / 2. With a photoelastic modulator,

【0053】[0053]

【数9】 (Equation 9)

【0054】の位相ズレδを交互に発生することによ
り、出射光は前述の偏光の間で変調されることになる。
この変調周波数はトンネル電流検出器(後述の図5の5
5)のバンド幅の上限付近にとることが望ましい。例え
ば、変調周波数は15kHzから40kHzを用いる。
By alternately generating the phase shift δ, the emitted light is modulated between the aforementioned polarized lights.
This modulation frequency corresponds to a tunnel current detector (5 in FIG. 5 described later).
It is desirable to set it near the upper limit of the bandwidth of 5). For example, a modulation frequency of 15 kHz to 40 kHz is used.

【0055】このようにして、変調された光を例えば、
図1の(a)に示すように、探針11の裏側から照射す
る。このことによって、符号12で示すように、探針1
1の中に(θ,φ)および(π−θ,φ+π)方向にス
ピン偏極したキャリヤーが交互に作られる。試料15の
表面にこのようなスピン偏極があれば、検出されるトン
ネル電流は、この変調周波数で変動する。そこで、上記
トンネル電流検出器の後段に位相検波増幅器(後述の図
5の51)を用いることにより、トンネル電流の変調周
波数成分を選択的に測定する。
The light modulated in this way is, for example,
As shown in FIG. 1A, irradiation is performed from the back side of the probe 11. As a result, as shown by reference numeral 12, the probe 1
In 1, carriers that are spin-polarized in (θ, φ) and (π−θ, φ + π) directions are alternately formed. If there is such a spin polarization on the surface of the sample 15, the detected tunnel current fluctuates at this modulation frequency. Therefore, the modulation frequency component of the tunnel current is selectively measured by using a phase detection amplifier (51 in FIG. 5 described later) at the subsequent stage of the tunnel current detector.

【0056】この測定信号を、通常の公知のSTM制御
装置(後述の図5の56)によって探針11を走査して
いる間に、探針11の位置と共に記録媒体に記録するこ
とにより、試料15の表面の磁気状態に関する2次元像
を得る。そして、上述のように光の変調を変化させるこ
とにより、検出するスピンの方位を任意に変化できる。
The measurement signal is recorded on a recording medium together with the position of the probe 11 while the probe 11 is being scanned by a general well-known STM control device (56 in FIG. A two-dimensional image of the magnetic state of the 15 surfaces is obtained. Then, by changing the modulation of light as described above, the direction of the spin to be detected can be arbitrarily changed.

【0057】図2は、C3v型およびC4v型探針の作
成過程を示す工程図である。ここで、23はGaAs基
板、22はGaAlAs窓層、21はGaAs探針作製
層、24はレジスト、および25は出来上がった探針で
ある。
FIG. 2 is a process chart showing a process of preparing the C3v type and C4v type probes. Here, 23 is a GaAs substrate, 22 is a GaAlAs window layer, 21 is a GaAs probe forming layer, 24 is a resist, and 25 is a completed probe.

【0058】上記の探針11は、例えばGaAs(11
1)−B(As面)基板上23にGaAlAs窓層22
とp−型GaAs探針層21を成長したのちに異方性エ
ッチングによって成形する。すなわち、図2の(a)に
示すように、液層エピタキシャルによってGaAs(1
11)−B基板23上にGaAlAs(Al組成0.3
程度)22を0.1mm厚さ程度エピタキシャル成長さ
せた後に、p型のGaAs(Znドープ、キャリヤ濃度
1017から1019cm-3)21を約500nmエピタキ
シャル成長させる。
The probe 11 is made of, for example, GaAs (11
1) GaAlAs window layer 22 on -B (As plane) substrate 23
After growing the p-type GaAs probe layer 21 and forming it, anisotropic etching is performed. That is, as shown in FIG. 2A, GaAs (1) is formed by liquid layer epitaxy.
11) GaAlAs (Al composition 0.3) on -B substrate 23
22) is epitaxially grown to a thickness of about 0.1 mm, and then p-type GaAs (Zn-doped, carrier concentration of 10 17 to 10 19 cm −3 ) 21 is epitaxially grown to a thickness of about 500 nm.

【0059】次に、図2の(b) に示すように、この結晶
の表面にレジスト24を塗布した後に、背面からGaA
s基板23を選択エッチングによって除去する。続い
て、レジスト24を電子線リソグラフィーで露光して、
一辺が500nmの正三角形のマスクを作る。この正三
角形の辺はGaAs21の(1−10),(01−1)
および(10−1)方向と平行になるようにする。
Next, as shown in FIG. 2B, after a resist 24 is applied to the surface of the crystal, GaAs is applied from the back surface.
The s substrate 23 is removed by selective etching. Subsequently, the resist 24 is exposed by electron beam lithography,
An equilateral triangle mask having a side of 500 nm is made. The sides of this equilateral triangle are (1-10), (01-1) of GaAs21.
And (10-1) direction.

【0060】次に、図2の(c)に示すように、この結
晶を室温のH2 SO4 (硫酸):H22 (過酸化水
素):H2 O(水)1:8:1エッチング液にマスクが
自然にとれるまでつける。この結果、異方的エッチング
が起こり自然に探針25が形成される。探針25の先端
の曲率半径は50nm以下となる。
Next, as shown in FIG. 2C, the crystals were subjected to room temperature H 2 SO 4 (sulfuric acid): H 2 O 2 (hydrogen peroxide): H 2 O (water) 1: 8: 1 Apply the mask to the etchant until it can be removed naturally. As a result, anisotropic etching occurs and the probe 25 is formed spontaneously. The radius of curvature of the tip of the probe 25 is 50 nm or less.

【0061】2.C4v型C4vの対称性を持つ直接遷
移型半導体を探針として用いたC4v型の装置の構成例
を図3に示す。STMの部分はC3v型と同じである。
ここで、30は試料、31はC3vの対称性を持つ半導
体探針、32は半球状レンズ、33は光の偏光の変調の
様子、34はディフレクター(ビーム分弁器)、35は
円偏光変調器、および36はレーザー光源である。
[0061] 2. FIG. 3 shows a configuration example of a C4v type device using a direct transition type semiconductor having a C4v type C4v symmetry as a probe. The STM part is the same as the C3v type.
Here, reference numeral 30 denotes a sample, 31 denotes a semiconductor probe having C3v symmetry, 32 denotes a hemispherical lens, 33 denotes a state of light polarization modulation, 34 denotes a deflector (beam splitter), and 35 denotes circular polarization modulation. And 36 are laser light sources.

【0062】図3の(a)の構成では図の上方からレー
ザー光源36、円偏光変調器35、ディフレクター3
4、半球状レンズ32、半導体探針31、試料30の順
に配列され、図3の(b)の構成では、図の下方からレ
ーザー光源36、円偏光変調器35、ディフレクター3
4、半球レンズ32、試料30、半導体探針31の順に
配列され、その構成要素の配列順序が異なっているが、
両者ともC4v型の装置として同等の作用をする。以
下、図3の(a)の構成について説明する。
In the configuration shown in FIG. 3A, the laser light source 36, the circular polarization modulator 35, and the deflector 3
4, a hemispherical lens 32, a semiconductor probe 31, and a sample 30 are arranged in this order. In the configuration of FIG. 3B, a laser light source 36, a circular polarization modulator 35, a deflector 3
4, the hemispherical lens 32, the sample 30, and the semiconductor probe 31 are arranged in this order, and the arrangement order of the components is different.
Both have the same function as a C4v type device. Hereinafter, the configuration of FIG. 3A will be described.

【0063】試料30は探針31に対向して探針31の
軸と垂直に台または保持部材(図示しない)で固定され
ている。探針31にはその裏側から3本のレーザー光線
が照射されている。第一の光線は探針31の軸と平行で
ある。この光は円偏光変調器35を構成する例えば高弾
性変調機によって右および左円偏光に変調されている。
変調周波数およびレーザーの波長と強度は前述のC3v
型のものと同様である。このようにして、探針31の中
にz方向および−z方向にスピン偏極したキャリヤーが
交互に作られる。なお、探針31の軸方向をz方向とす
る。
The sample 30 is fixed to a table or a holding member (not shown) so as to face the probe 31 and perpendicular to the axis of the probe 31. The probe 31 is irradiated with three laser beams from the back side. The first light beam is parallel to the axis of the probe 31. This light is modulated into right and left circularly polarized light by, for example, a high elasticity modulator constituting the circularly polarized light modulator 35.
The modulation frequency and the wavelength and intensity of the laser are C3v
It is the same as the type. In this manner, carriers that are spin-polarized in the z direction and the −z direction are alternately formed in the probe 31. Note that the axial direction of the probe 31 is the z direction.

【0064】試料30の表面にz軸方向のスピン偏極が
あれば、トンネル電流は、この変調周波数で変動し、こ
の変動を、位相検波増幅器(後述の図6の51)で選択
的に測定して2次元像を得る。この場合は、装置は膜面
に垂直なスピン偏極成分を検出する。
If there is spin polarization in the z-axis direction on the surface of the sample 30, the tunnel current fluctuates at this modulation frequency, and this fluctuation is selectively measured by a phase detection amplifier (51 in FIG. 6 described later). To obtain a two-dimensional image. In this case, the device detects a spin-polarized component perpendicular to the film surface.

【0065】一方、第2および第3の光線は探針31に
半球状レンズ32を介して右および左斜め約45度方向
から入射している。この偏光はp偏光である。これらの
光線の波長および強度はC3v型の場合と同様である。
そして、これら2つの光線の強度は等しくなるように調
整する。
On the other hand, the second and third light beams are incident on the probe 31 via the hemispherical lens 32 from right and left oblique directions of about 45 degrees. This polarized light is p-polarized light. The wavelength and intensity of these rays are the same as in the case of the C3v type.
Then, the intensity of these two light beams is adjusted to be equal.

【0066】これら2つの光線がx−z平面内にあると
すると、探針中には、y(−y)方向にスピン偏極した
キャリヤーが励起される。第2の光線がy方向に偏極し
たキャリヤーを励起するならば、第3の光線は−yの方
向に偏極したキャリヤーを励起する。そこで、第2およ
び第3の光線を交互に照射することにより、試料30中
にy方向のスピン偏極成分があれば、トンネル電流が変
動する。この変動を、位相検波増幅器(後述の図6の5
1)で選択的に測定して2次元像を得る。この場合は、
装置は膜面内のスピン偏極成分を検出する。膜面内の方
位は光学系全体を軸上で回転することによって変えるこ
とができる。
Assuming that these two light rays are in the xz plane, a carrier that is spin-polarized in the y (-y) direction is excited in the probe. If the second ray excites a carrier polarized in the y direction, the third ray excites a carrier polarized in the -y direction. Therefore, by alternately irradiating the second and third light beams, if there is a spin-polarized component in the y-direction in the sample 30, the tunnel current fluctuates. This fluctuation is detected by a phase detection amplifier (5 in FIG. 6 described later).
A two-dimensional image is obtained by selectively measuring in 1). in this case,
The device detects a spin-polarized component in the film plane. The orientation in the film plane can be changed by rotating the entire optical system on an axis.

【0067】第2および第3の光線を交互に照射する方
法としては、図4に示したような、ピエゾ43に駆動さ
れる鏡42と、探針31を背面に張り付けた半球状の小
型レンズ32を使うことができる。この場合、光源41
は直線偏光している。鏡42をピエゾ43で僅かに回転
することにより、光線を半球レン32ズの異なる場所に
当てる。半球レンズ32はその底面に焦点があり、その
球面上の光の入射位置が変わると、焦点への光の入射角
が変化する。このことによって、光線の位置の変化を入
射角の変化に変えることができる。
As a method of alternately irradiating the second and third light beams, as shown in FIG. 4, a mirror 42 driven by a piezo 43 and a hemispherical small lens having a probe 31 attached to the back surface thereof are used. 32 can be used. In this case, the light source 41
Is linearly polarized. By slightly rotating the mirror 42 with the piezo 43, the light beam strikes different locations of the hemispheric lens 32. The hemispherical lens 32 has a focal point on its bottom surface, and if the incident position of light on its spherical surface changes, the incident angle of light on the focal point changes. Thus, a change in the position of the light beam can be changed to a change in the incident angle.

【0068】探針31は例えばGaAs(100)基板
上にGaAlAs窓層とp−型GaAs探針層を成長し
たのちに異方性エッチングによって作る。探針31の作
成過程はC3v探針の場合と同じ図2に示されている。
The probe 31 is formed by anisotropic etching after growing a GaAlAs window layer and a p-type GaAs probe layer on a GaAs (100) substrate, for example. The process of forming the probe 31 is shown in FIG. 2, which is the same as the case of the C3v probe.

【0069】図2を参照してC4v型探針31の作成工
程を詳しく説明する。液層エピタキシによってGaAs
(100)基板23上にGaAlAs(Al組成0.3
程度)22を0.1mm厚さ程度エピタキシャル成長さ
せた後に,p型のGaAs(Zn(亜鉛)ドープ、キャ
リヤ濃度1017から1019cm-3)21を約500nm
エピタキシャル成長させる(図2の(a) 参照)。
With reference to FIG. 2, the process of forming the C4v probe 31 will be described in detail. GaAs by liquid layer epitaxy
(100) GaAlAs (Al composition 0.3
22) is epitaxially grown to a thickness of about 0.1 mm, and then p-type GaAs (Zn (zinc) doped, carrier concentration of 10 17 to 10 19 cm −3 ) 21 of about 500 nm
Epitaxial growth (see FIG. 2 (a)).

【0070】この結晶の表面にレジスト24を塗布した
後に背面からGaAs基板23を選択エッチングによっ
て除去する。次に、レジスト24を電子線リソグラフィ
ーで露光して、一辺が500nmの正方形のマスクを作
る。正方形の辺はGaAs21の(010)および(0
01)方向と平行になるようにする(図2の( b) 参
照)。
After a resist 24 is applied to the surface of the crystal, the GaAs substrate 23 is removed from the back by selective etching. Next, the resist 24 is exposed by electron beam lithography to form a square mask having a side of 500 nm. The sides of the square are (010) and (0) of GaAs21.
01) parallel to the direction (see (b) of FIG. 2).

【0071】この結晶を摂氏5度のH3 PO4 (りん
酸):H22 (過酸化水素):H2O(水)10:
1:1エッチング液にマスクが自然にとれるまでつけ
る。この結果、異方的エッチングが起こり自然に探針2
5が形成される。探針25の先端の曲率半径は50nm
以下となる(図2の(c)参照)。(K.Yamaguchi and
S.Tada,"Fabrication of GaAs Microtips for Scanning
Tunneling Microscopy be Wet Etching",Journal of t
he Electrochemical Socicty,volume 143,number 8(199
6)page 2616-2619 参照) 。
The crystals were subjected to 5 ° C. H 3 PO 4 (phosphoric acid): H 2 O 2 (hydrogen peroxide): H 2 O (water) 10:
Apply to the 1: 1 etching solution until the mask can be removed naturally. As a result, anisotropic etching occurs and the probe 2
5 are formed. The radius of curvature of the tip of the probe 25 is 50 nm
It is as follows (see (c) of FIG. 2). (K. Yamaguchi and
S.Tada, "Fabrication of GaAs Microtips for Scanning
Tunneling Microscopy be Wet Etching ", Journal of t
he Electrochemical Socicty, volume 143, number 8 (199
6) See pages 2616-2619).

【0072】次に、上述した位相検波増幅器、ピエゾス
キャナー、トンネル電流検出器、STM制御部等を含む
本発明の全体の測定システムの構成例について、C3v
型とC4v型について分けて説明する。
Next, a configuration example of the entire measurement system of the present invention including the above-described phase detection amplifier, piezo scanner, tunnel current detector, STM control unit, etc.
The type and the C4v type will be described separately.

【0073】図5はC3v型の構成例を示す。51はキ
ャリヤーの試料15へのトンネル電流の変化を検出する
位相検波増幅器であって、51aはその信号入力、51
bはその増幅出力、51cはその参照信号入力である。
52はGaAs−C3v探針11の位置を走査するピエ
ゾスキャナーである。55はキャリヤーの試料15への
トンネル電流を探針11から検出するトンネル電流検出
部であり、検出されたトンネル電流は位相検波増幅器5
1の信号入力51aとして、またSTM制御部56のト
ンネル電流信号入力56aとして供給される。
FIG. 5 shows a configuration example of the C3v type. Reference numeral 51 denotes a phase detection amplifier for detecting a change in the tunnel current of the carrier to the sample 15. Reference numeral 51a denotes a signal input of the phase detection amplifier.
b is its amplified output and 51c is its reference signal input.
A piezo scanner 52 scans the position of the GaAs-C3v probe 11. Reference numeral 55 denotes a tunnel current detecting unit for detecting a tunnel current to the sample 15 of the carrier from the probe 11.
1 as a signal input 51a and as a tunnel current signal input 56a of the STM controller 56.

【0074】レーザー光源14は、半導体レーザー14
bと、半導体レーザーへ電源を供給する半導体レーザー
制御電源14cと、半導体レーザーのレーザー光を集光
して平行光線にするレンズ14aとを有し、GaAs−
C3v探針11の軸方向にレーザ光を照射する。
The laser light source 14 is a semiconductor laser 14
b, a semiconductor laser control power supply 14c for supplying power to the semiconductor laser, and a lens 14a for condensing the laser light of the semiconductor laser into parallel rays, and
A laser beam is irradiated in the axial direction of the C3v probe 11.

【0075】一般楕円偏光変調器13は位相ずれ調整つ
まみ13bを備えたバビネソレイユ補償器13aと、光
弾性変調器13cとを構成要素とし、さらに光弾性変調
器13cへ電源を供給する光弾性変調器制御電源13d
と、光弾性変調器13cの入射光路内に配置されてレー
ザービームを偏向する偏光子13eとを包含する。ま
た、光弾性変調器制御電源13dから位相検波増幅器5
1へ上記参照信号入力51cを供給する。この一般楕円
偏光変調器13は、偏光子13eによる照射光の偏光
を、ビネソレイユ補償器13aと光弾性変調器13cと
を用いて、目的のスピン検出方位に対応して定まる2種
の偏光の間で振動させることにより、探針11内に目的
のスピン検出方位に平行なスピンと反平行なスピンを持
ったキャリヤーを交互に発生させる。
The general elliptically polarized light modulator 13 comprises a Babinet Soleil compensator 13a having a phase shift adjusting knob 13b and a photoelastic modulator 13c, and furthermore, a photoelastic modulator for supplying power to the photoelastic modulator 13c. Control power supply 13d
And a polarizer 13e arranged in the incident optical path of the photoelastic modulator 13c to deflect the laser beam. Further, a phase detection amplifier 5 is supplied from the photoelastic modulator control power supply 13d.
1 to the reference signal input 51c. The general elliptically polarized light modulator 13 converts the polarized light of the irradiation light from the polarizer 13e between two kinds of polarized lights determined corresponding to the target spin detection azimuth by using a Vinesoleil compensator 13a and a photoelastic modulator 13c. By vibrating the probe 11, carriers having spins parallel to the target spin detection direction and spins antiparallel to the target spin detection direction are generated alternately.

【0076】STM制御部56は、位相検波増幅器51
の増幅出力51bが補助信号入力56bとして供給さ
れ、この補助信号入力56bと上記トンネル電流信号入
力56aとを入力し、ピエゾ制御信号出力56cをピエ
ゾスキャナー52へ出力することでGaAs−C3v探
針11の位置を走査することにより、試料15の表面の
任意の方位のスピン偏極の2次元的な分布を測定する。
The STM control unit 56 includes a phase detection amplifier 51
Is supplied as an auxiliary signal input 56b, the auxiliary signal input 56b and the tunnel current signal input 56a are input, and a piezo control signal output 56c is output to the piezo scanner 52 to thereby output the GaAs-C3v probe 11. Is scanned, the two-dimensional distribution of spin polarization in an arbitrary direction on the surface of the sample 15 is measured.

【0077】図6はC4v型の構成例を示す。ここで、
60はハーフミラー、61は全反射ミラーである。位相
検波増幅器51、ピエゾスキャナー52、トンネル電流
検出部55、STM制御部56は上記の図5と同様な構
成のものであるので同一符号を付した。
FIG. 6 shows a configuration example of the C4v type. here,
Reference numeral 60 denotes a half mirror, and 61 denotes a total reflection mirror. The phase detection amplifier 51, the piezo scanner 52, the tunnel current detection unit 55, and the STM control unit 56 have the same configurations as those in FIG.

【0078】レーザー光源36は、半導体レーザー36
cと、半導体レーザーへ電源を供給する半導体レーザー
制御電源36dと、半導体レーザーのレーザー光を集光
して平行光線にするレンズ36bと、レーザー光を偏光
する偏光子36aとを有し、GaAs−C4v探針31
の軸方向に偏光したレーザ光を照射する。
The laser light source 36 is a semiconductor laser 36
c, a semiconductor laser control power supply 36d for supplying power to the semiconductor laser, a lens 36b for condensing the laser light of the semiconductor laser into parallel rays, and a polarizer 36a for polarizing the laser light. C4v probe 31
Is irradiated with a laser beam polarized in the axial direction.

【0079】円偏光変調器35は光弾性変調器35a
と、光弾性変調器35aへ電源を供給する光弾性変調器
制御電源35bとを有する。また、光弾性変調器制御電
源35bから位相検波増幅器51へ上記参照信号入力5
1cを供給する。この円偏光変調器35は、偏光子36
aによる照射光の偏光を、光弾性変調器35aを通過さ
せることで、GaAs−C4v探針31の軸方向に照射
するレーザー光を左右円偏光変調することにより、探針
31中に膜面の垂直方向上向きおよび下向きのスピンを
持ったキャリヤーを交互に生成する。この際は、ミラー
60及び34aはとり除いておく。
The circular polarization modulator 35 is a photoelastic modulator 35a.
And a photoelastic modulator control power supply 35b for supplying power to the photoelastic modulator 35a. Also, the reference signal input 5 from the photoelastic modulator control power supply 35b to the phase detection amplifier 51.
1c. The circular polarization modulator 35 includes a polarizer 36
The laser light irradiated in the axial direction of the GaAs-C4v probe 31 is subjected to right and left circular polarization modulation by passing the polarization of the irradiation light by the a through the photoelastic modulator 35a. Alternately generate carriers with vertically upward and downward spins. At this time, the mirrors 60 and 34a are removed.

【0080】ビーム分弁器34は光弾性変調器35aを
透過したビームの光路内に配置されたミラー34aと、
図4で示したディフレクターを構成するミラー42およ
びピエゾ43を有する。
The beam splitter 34 includes a mirror 34a arranged in the optical path of the beam transmitted through the photoelastic modulator 35a,
It has a mirror 42 and a piezo 43 that constitute the deflector shown in FIG.

【0081】半導体レーザー36cから出射したレーザ
ー光は、レンズ36bおよび偏光子36を透過し、ミラ
ー60および61で方向を変え、ディフレクターのミラ
ー42およびミラー34aを反射し、半球レンズ32に
より集光されて試料30を透過、探針31に照射され
る。このようにして、ビーム分弁器34は探針31の軸
方向およびこの軸と±45度程度傾いた角度から探針3
1にレーザー光の直線偏光(p波)を交互に照射するこ
とにより、探針31中に膜面の面方向のスピンを持った
キャリヤーを交互に生成する。
The laser light emitted from the semiconductor laser 36c passes through the lens 36b and the polarizer 36, changes its direction at the mirrors 60 and 61, reflects off the mirrors 42 and 34a of the deflector, and is collected by the hemispherical lens 32. Then, the light is transmitted through the sample 30 and irradiated on the probe 31. In this way, the beam splitter 34 moves the probe 3 from the axial direction of the probe 31 and from the angle inclined about ± 45 degrees with respect to this axis.
By alternately irradiating 1 with linearly polarized laser light (p-wave), carriers having spins in the film surface direction are alternately generated in the probe 31.

【0082】STM制御部56は、位相検波増幅器51
の増幅出力51bが補助信号入力56bとして供給さ
れ、この補助信号入力56bと上記トンネル電流信号入
力56aとを入力し、ピエゾ制御信号出力56cをピエ
ゾスキャナー52へ出力することでGaAs−C4v探
針31の位置を走査することにより、試料30の表面の
垂直方向および面方向のスピン偏極の2次元的な分布を
測定する。
The STM control section 56 has a phase detection amplifier 51
Is supplied as an auxiliary signal input 56b, the auxiliary signal input 56b and the tunnel current signal input 56a are input, and a piezo control signal output 56c is output to the piezo scanner 52, whereby the GaAs-C4v probe 31 is output. Is scanned, the two-dimensional distribution of the spin polarization in the vertical direction and the surface direction of the surface of the sample 30 is measured.

【0083】[0083]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
強磁性体試料の表面の任意の方位の磁化を原子のスケー
ルで、試料にほとんど磁気的な影響を与えることなく測
定することが可能となる。そして、本発明による垂直方
向の磁化に対する感度は、通常の直接遷移型半導体を用
いて、その探針の軸に平行に円偏光を入射したものと同
じである。例えば、原理的には全トンネル電流の10%
程度の信号が得られる。一方、膜面内方向のスピンを検
出するためには、本発明を用いない、直接遷移型半導体
を用いた従来のスピン偏極STMでは、光を膜面にほぼ
水平に入射する必要がある。このため、光の偏光が乱れ
やすく現在まで、磁気像の観察に成功した例はない。し
かし、本発明を用いると、光の偏光が乱れることがない
ため、原理的には垂直のスピンの検出と同程度の信号
(全トンネル電流の10%程度)が得られる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to measure the magnetization of the surface of the ferromagnetic sample in an arbitrary direction on an atomic scale with almost no magnetic influence on the sample. The sensitivity to perpendicular magnetization according to the present invention is the same as that obtained by using a normal direct-transition semiconductor and injecting circularly polarized light parallel to the axis of the probe. For example, in principle, 10% of the total tunnel current
The signal of the degree is obtained. On the other hand, in order to detect spin in the in-plane direction of the film, in a conventional spin-polarized STM using a direct transition type semiconductor without using the present invention, it is necessary to make light incident on the film surface almost horizontally. For this reason, the polarization of light is easily disturbed, and there has been no example of successful observation of a magnetic image to date. However, when the present invention is used, since the polarization of light is not disturbed, a signal equivalent in principle to the detection of vertical spin (about 10% of the total tunnel current) can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例におけるC3v型スピン偏極
STMの装置構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a C3v spin-polarized STM according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例におけるC3v型およびC4
v型探針の作成過程を示す工程図である。
FIG. 2 shows C3v type and C4 in one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a process chart showing a process of creating a v-type probe.

【図3】本発明の一実施例におけるC4v型スピン偏極
STMの装置構成図である。
FIG. 3 is an apparatus configuration diagram of a C4v spin-polarized STM according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の一実施例におけるC4v型スピン偏極
STMにおける光の入射方法を示す模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method of incident light on a C4v type spin-polarized STM according to an embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施例における位相検波増幅器、ピ
エゾスキャナー、トンネル電流検出器、STM制御部等
を含むC3v型の測定システムの装置構成図である。
FIG. 5 is an apparatus configuration diagram of a C3v type measurement system including a phase detection amplifier, a piezo scanner, a tunnel current detector, an STM control unit, and the like in one embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施例における位相検波増幅器、ピ
エゾスキャナー、トンネル電流検出器、STM制御部等
を含むC4v型の測定システムの装置構成図である。
FIG. 6 is an apparatus configuration diagram of a C4v type measurement system including a phase detection amplifier, a piezo scanner, a tunnel current detector, an STM control unit, and the like according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 C3vの対称性を持つ半導体探針 12 光の偏光の変調の様子 13 一般楕円偏光変調器 13a バビネソレイユ補償器 13b 位相ずれ調整つまみ 13c 光弾性変調器 13d 光弾性変調器制御電源 14 レーザー光源 14a レンズ 14c 半導体レーザー 14a 半導体レーザー制御電源 15 試料 21 GaAs探針作製層 22 GaAlAs窓層 23 GaAs基板 24 レジスト 25 出来上がった探針 30 試料 31 C4vの対称性を持つ半導体探針 32 半球状レンズ 33 光の偏光の変調の様子 34 ディフレクター(ビーム分弁器) 34a,60,61 ミラー 35 円偏光変調器 35a 光弾性変調器 35b 光弾性変調器制御電源 36 レーザー光源 36a 偏光子 36b レンズ 36c 半導体レーザー 36d 半導体レーザー制御電源 41 光源 42 ディフレクター(鏡) 43 ディフレクター(ピエゾ) 51 位相検波増幅器 51a 信号入力 51b 増幅出力 51c 参照信号入力 52 ピエゾスキャナー 55 トンネル電流検出部 56 STM制御部 56a トンネル電流信号入力 56b 補助信号入力 56c ピエゾ制御信号出力 Reference Signs List 11 Semiconductor probe having C3v symmetry 12 Modulation of light polarization 13 General elliptical polarization modulator 13a Babinet Soleil compensator 13b Phase shift adjustment knob 13c Photoelastic modulator 13d Photoelastic modulator control power supply 14 Laser light source 14a Lens 14c Semiconductor laser 14a Semiconductor laser control power supply 15 Sample 21 GaAs probe fabrication layer 22 GaAlAs window layer 23 GaAs substrate 24 Resist 25 Finished probe 30 Sample 31 Semiconductor probe having C4v symmetry 32 Hemispherical lens 33 Light State of polarization modulation 34 Deflector (beam splitter) 34a, 60, 61 mirror 35 Circular polarization modulator 35a Photoelastic modulator 35b Photoelastic modulator control power supply 36 Laser light source 36a Polarizer 36b Lens 36c Semiconductor laser 36d Semiconductor laser -Control power supply 41 Light source 42 Deflector (mirror) 43 Deflector (piezo) 51 Phase detection amplifier 51a Signal input 51b Amplification output 51c Reference signal input 52 Piezo scanner 55 Tunnel current detection unit 56 STM control unit 56a Tunnel current signal input 56b Auxiliary signal input 56c Piezo control signal output

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 598143077 田村 英一 茨城県つくば市東1丁目1番4 工業技 術院産業技術融合領域研究所内 (74)上記3名の代理人 弁理士 谷 義一 (72)発明者 鈴木 義茂 茨城県つくば市東1丁目1番4 工業技 術院産業技術融合領域研究所内 (72)発明者 田村 英一 茨城県つくば市東1丁目1番4 工業技 術院産業技術融合領域研究所内 (72)発明者 ワリッド ナブハン 茨城県つくば市東1丁目1番4 工業技 術院産業技術融合領域研究所内 審査官 有家 秀郎 (56)参考文献 特開 平9−280810(JP,A) 特開 平9−145724(JP,A) 特開 平10−206434(JP,A) 特開 平6−160501(JP,A) 特開 平2−199757(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 37/00 G01R 33/02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (73) Patentee 598143077 Eiichi Tamura 1-4-1 Higashi, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture Within the Research Institute of Industrial Technology Integration Area (74) The above three agents Yoshikazu Tani ( 72) Inventor Yoshishige Suzuki 1-1-4 Higashi, Tsukuba, Ibaraki Pref., Institute of Industrial Technology, Institute of Industrial Technology (72) Inventor Eiichi Tamura 1-4-1, Higashi, Tsukuba, Ibaraki, Japan Within the research institute (72) Inventor Walid Nabhan Inspector Hideo Ariya in the Research Institute of Industrial Technology, 1-4-1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki Pref. (56) References JP-A-9-280810 (JP, A) JP-A-9-145724 (JP, A) JP-A-10-206434 (JP, A) JP-A-6-160501 (JP, A) JP-A-2-199757 (JP, A) ) Surveyed field (Int.Cl. 6 , DB name) G01N 37/00 G01R 33/02

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 軸方向にC3vの対称性を持つGaAs
等の直接遷移半導体で作られた探針と、 前記探針の軸方向にレーザー光を照射するレーザー光源
と、 該照射光の偏光を目的のスピン検出方位に対応して定ま
る2種の偏光の間で振動させることにより前記探針内に
目的のスピン検出方位に平行なスピンと反平行なスピン
を持ったキャリヤーを交互に発生させる一般楕円偏光変
調器と、 前記キャリヤーの試料へのトンネル電流の変化を検出す
る位相検波増幅器と、 該位相検波増幅器で前記トンネル電流の変化を検出しな
がら、前記探針を走査することにより、前記試料表面の
任意の方位のスピン偏極の2次元的な分布を測定するS
TM制御部とを具備することを特徴とするスピン検出軸
回転型スピン偏極走査型トンネル顕微鏡。
1. GaAs having C3v symmetry in the axial direction
A laser light source for irradiating a laser beam in the axial direction of the probe, and two kinds of polarizations determined according to a target spin detection direction. A general elliptically polarized light modulator that alternately generates carriers having spins parallel to the target spin detection direction and spins antiparallel to the target by oscillating between the probe and a tunnel current to the sample of the carrier. A phase detection amplifier for detecting a change; a two-dimensional distribution of spin polarization in an arbitrary direction on the sample surface by scanning the probe while detecting the change in the tunnel current with the phase detection amplifier. S to measure
A spin detection axis rotation type spin polarization scanning tunneling microscope comprising a TM control unit.
【請求項2】 スピン偏極の方位として極座標の(θ,
φ)方位を検出する場合、前記一般楕円偏光変調器によ
る光の偏光変調は、 【数1】 の間で行い、但し、λは楕円偏光の主軸とx軸のなす角
度、tan ωは楕円率であり、また、Py はx−直線偏光
を照射したときに現れるy−方向のスピン偏極度、Pz
は右円偏光を照射したときに現れるz−方向のスピン偏
極度であり、変調周波数は10kHz以上100kHz
以下であることを特徴とする請求項1に記載のスピン検
出軸回転型スピン偏極走査型トンネル顕微鏡。
2. The azimuth of spin polarization is represented by (θ,
φ) When detecting the azimuth, the polarization modulation of light by the general elliptical polarization modulator is expressed by the following equation. Performed between, however, lambda is the angle of the main shaft with the x-axis of the elliptically polarized light, tan omega is the ellipticity, also, P y appear when illuminated with x- linearly polarized y- directions of spin polarization , P z
Is the spin polarization in the z-direction that appears when the right circularly polarized light is radiated, and the modulation frequency is 10 kHz or more and 100 kHz.
The spin-detection-axis rotation type spin-polarized scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記C3vの対称性を持つ探針として
(111)方位に異方性エッチングによって尖らせたG
aAs探針を用い、照射する前記レーザー光源として半
導体レーザー(1.4eVから1.8eV)を用いるこ
とを特徴とする請求項1または2に記載のスピン検出軸
回転型スピン偏極走査型トンネル顕微鏡。
3. A probe pointed by anisotropic etching to a (111) direction as a probe having the C3v symmetry.
3. A spin-detection axis-rotating spin-polarized scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein an aAs probe is used, and a semiconductor laser (1.4 eV to 1.8 eV) is used as the laser light source for irradiation. .
【請求項4】 前記探針の背面に窓材としてGa1−x
AlxAs層(0.1<x<1、厚さ0.02から0.
2mm)を持ち、該探針背面から光照射し、該探針の長
さは5μm以下200nm以上であることを特徴とする
請求項3に記載のスピン検出軸回転型スピン偏極走査型
トンネル顕微鏡。
4. A Ga1-x as a window material on a back surface of the probe.
AlxAs layer (0.1 <x <1, thickness 0.02 to 0.
4. The spin-polarized scanning spin-polarized scanning tunneling microscope according to claim 3, wherein the probe has a length of not more than 5 μm and not less than 200 nm. .
【請求項5】 前記一般楕円偏光変調器は、バビネソレ
イユ位相補償器と光弾性変調器により構成されることを
特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のスピン
検出軸回転型スピン偏極走査型トンネル顕微鏡。
5. The spin detection axis rotation type spin polarization device according to claim 1, wherein the general elliptical polarization modulator includes a Babinet Soleil phase compensator and a photoelastic modulator. Polar scanning tunnel microscope.
【請求項6】 レーザー光を発生するレーザー光源と、 軸方向にC4vの対称性を持つGaAs等の直接遷移半
導体で作られた探針と、 該探針の軸方向および該軸と±45度程度傾いた角度か
ら該探針に前記レーザー光の直線偏光(p波)を交互に
照射することにより、該探針中に膜面の面方向のスピン
を持ったキャリヤーを交互に生成するビーム分弁器と、 前記軸方向に照射する前記レーザー光を左右円偏光変調
することにより、前記探針中に膜面の垂直方向上向きお
よび下向きのスピンを持ったキャリヤーを交互に生成す
る円偏光変調器と、 前記キャリヤーの試料へのトンネル電流の差を検出する
位相検波増幅器と、 該位相検波増幅器で前記トンネル電流の差を検出しなが
ら、前記探針を走査することにより、前記試料表面の垂
直方向および面方向のスピン偏極の2次元的な分布を測
定するSTM制御部とを具備することを特徴とするスピ
ン検出軸回転型スピン偏極走査型トンネル顕微鏡。
6. A laser light source for generating a laser beam; a probe made of a direct transition semiconductor such as GaAs having C4v symmetry in the axial direction; and ± 45 degrees with respect to the axial direction of the probe and the axis. By alternately irradiating the probe with linearly polarized light (p-wave) of the laser light from the slightly inclined angle, a beam component that alternately generates carriers having spins in the film surface direction in the probe is provided. A circular polarization modulator that alternately generates carriers having vertical and downward spins perpendicular to the film surface in the probe by modulating left and right circular polarization of the laser light irradiated in the axial direction. A phase detection amplifier for detecting a difference in tunnel current from the carrier to the sample, and scanning the probe while detecting the difference in tunnel current with the phase detection amplifier, so that a vertical direction of the sample surface is obtained. Spin detection axis rotation type, characterized by comprising a STM control unit for measuring the two-dimensional distribution of spin polarization and plane direction spin-polarized scanning tunneling microscope.
【請求項7】 前記円偏光変調器による変調周波数は1
0kHz以上100kHz以下であることを特徴とする
請求項6に記載のスピン検出軸回転型スピン偏極走査型
トンネル顕微鏡。
7. The modulation frequency of the circular polarization modulator is 1
The spin detection axis rotation type spin-polarized scanning tunneling microscope according to claim 6, wherein the frequency is 0 kHz or more and 100 kHz or less.
【請求項8】 前記C4vの対称性を持つ探針として
(100)方位に異方性エッチングによって尖らせたG
aAs探針を用い、照射する前記レーザー光源として半
導体レーザー(1.4eVから1.8eV)を用いるこ
とを特徴とする請求項6または7に記載のスピン検出軸
回転型スピン偏極走査型トンネル顕微鏡。
8. A G4 pointed by anisotropic etching to a (100) direction as a probe having the C4v symmetry.
8. The spin-detection axis-rotating spin-polarized scanning tunneling microscope according to claim 6, wherein an aAs probe is used, and a semiconductor laser (1.4 eV to 1.8 eV) is used as the laser light source for irradiation. .
【請求項9】 前記探針の背面に窓材としてGa1−x
AlxAs層(0.1<x<1、厚さ0.02から0.
2mm)を持ち、該探針の背面から光照射し、該探針の
長さは5μm以下200nm以上であることを特徴とす
る請求項8に記載のスピン検出軸回転型スピン偏極走査
型トンネル顕微鏡。
9. A Ga1-x as a window material on the back surface of the probe.
AlxAs layer (0.1 <x <1, thickness 0.02 to 0.
9. The spin-detecting shaft-rotating spin-polarized scanning tunnel according to claim 8, wherein the probe has a length of not more than 5 μm and not less than 200 nm. microscope.
【請求項10】 前記ビーム分弁器の光線出射側で前記
探針の背面に直径3mm以下の半球面レンズを配置し、
前記光線の入射角度の変化は、該光線の該半球面レンズ
上の入射位置を変化させることによって行われ、該光線
の半球面レンズ上の入射位置の変化は前記ビーム分弁器
を構成する鏡またはプリズムを振動させることによって
行われることを特徴とする請求項6ないし9のいずれか
に記載のスピン検出軸回転型スピン偏極走査型トンネル
顕微鏡。
10. A hemispherical lens having a diameter of 3 mm or less is arranged on the back side of the probe on the light beam emitting side of the beam splitter,
The change of the incident angle of the light beam is performed by changing the incident position of the light beam on the hemispherical lens, and the change of the incident position of the light beam on the hemispherical lens is changed by the mirror constituting the beam splitter. 10. The spin-polarized scanning spin-polarized scanning tunneling microscope according to claim 6, wherein the spinning is performed by vibrating a prism.
【請求項11】 前記STM制御部は、前記試料または
光学系全体を前記探針の軸に対して回転することにより
前記スピンの検出方位を試料面内で回転させることを特
徴とする請求項6ないし10のいずれかに記載のスピン
検出軸回転型スピン偏極走査型トンネル顕微鏡。
11. The apparatus according to claim 6, wherein the STM control unit rotates the sample or the entire optical system with respect to the axis of the probe to thereby rotate the spin detection direction in the plane of the sample. 11. A spin-polarized scanning tunneling microscope according to any one of claims 1 to 10.
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