JPWO2016056425A1 - スピン偏極電子線のコヒーレンス測定装置と、その利用方法 - Google Patents

Abstract

スピン偏極電子線の進路をセパレータ６で２分する。第１進路Ｂ１上に配置されているスピン方向回転機８でスピン方向を回転させ、第１遅延装置１０で遅延させる。第２進路Ｂ２では電子線が試料台を通過する。バイプリズム１６で、第１進路と第２進路に分割されたスピン偏極電子線を重ね合わせ、その強度分布を測定する。スピン方向回転角と、遅延時間と、干渉縞の明瞭度の関係から、コヒーレンスを測定する。

Description

本明細書では、スピンの偏極度が高い電子線のコヒーレンス（コヒーレンス長、またはコヒーレンス時間）を測定することができる装置を開示する。本明細書では、また、その測定装置を利用して、試料の特性を測定する方法をも開示する。

本発明者らは、歪み超格子半導体層を備えている半導体光陰極を開発し、スピンの偏極度の高い電子線（例えば、大半の電子がアップスピンの電子線、または大半の電子がダウンスピンの電子線のことをいい、本明細書ではスピン偏極電子線という）を発生させることに成功した。

スピン偏極電子線のコヒーレンスを測定できると、様々な測定が可能となる。例えば、試料を通過することによってスピン偏極電子線のコヒーレンスが変化する現象を測定することができれば、試料とスピン偏極電子線の相互作用が明確となり、試料の特性が判明する。これにより、試料のスピンの状態を評価することも可能となり、量子コンピュータやスピントロニクスの分野において非常に有用である。しかしながら、現状では、スピン偏極電子線のコヒーレンスを測定する実際的な方法がない。

本明細書では、スピン偏極電子線のコヒーレンスを測定する装置と、その利用方法を提案する。

本明細書で開示する測定装置は、スピン偏極電子線の進路を２進路に分割するセパレータと、そのセパレータによって分割された一方の進路（第１進路）上に配置されているスピン方向回転機と第１遅延装置と、前記セパレータによって分割された他方の進路（第２進路）上に配置されている試料台と、第１進路と第２進路に分割されたスピン偏極電子線を重ね合わせるバイプリズムと、重ね合わせたスピン偏極電子線の強度分布を測定する強度分布測定装置を備えている。試料台に試料を配置することで、試料とスピン偏極電子線の相互作用を測定することができる。必要に応じて、第２進路上に第２遅延装置を配置してもよい。

スピン偏極電子線を２進路に分割して重ね合わせることでスピン偏極電子線の干渉縞が生じる。この干渉縞の明瞭度は下記のように変化する。
（１）第１遅延装置と第２遅延装置を利用することで、バイプリズムで重ね合わせる第１進路からのスピン偏極電子線と第２進路からのスピン偏極電子線の時間関係を調整することができる。第１進路からのスピン偏極電子線が第２進路からのスピン偏極電子線よりも進行する状態から、第１進路からのスピン偏極電子線が第２進路からのスピン偏極電子線よりも遅行する状態の間で、時間差を調整することができる。特定の時間差（第１遅延装置による遅延時間と第２遅延装置による遅延時間の差）において、干渉縞の明瞭度は最大となる。その特定の時間差の前後において干渉縞の明瞭度が維持され、その特定の時間差からコヒーレンス時間以上ずれると干渉縞が測定されなくなる。干渉縞の明瞭度が劣化する時間差と前記した特定の時間差から、コヒーレンス時間を測定することができる。電子線の進行速度を乗じることによって、コヒーレンス長を求めることができる。
（２）スピン方向回転機によって第１進路を進行するスピン偏極電子線のスピン方向が回転する。試料との相互作用によって第２進路を進行するスピン偏極電子線のスピン方向が変化することもある。そのために、スピン方向回転機が特定の回転角に調整された状態で干渉縞の明瞭度は最大となる。その回転角の前後において干渉縞の明瞭度が低下する。スピン方向回転機による回転角に依存して干渉縞の明瞭度が変化する現象を測定することによって、測定している事象が、スピン偏極電子線によって得られた干渉縞であることが確認できる。
（３）干渉縞の明瞭度が最大となるときの回転角から、試料との相互作用によってスピン方向が回転する角度を測定することが可能となる。
（４）干渉縞の明瞭度が最大となるときの干渉縞の強度から、試料との相互作用によってスピン方向が反転した電子の比率を測定することが可能となる。
（５）後記するように、スピン偏極電子線のコヒーレンスを測定する場合、試料台に試料を配置する必要がない。試料台自体は、スピン偏極電子線に対して透明としておく。
（６）スピン偏極電子線のコヒーレンスを測定する場合、第１進路からのスピン偏極電子線が第２進路からのスピン偏極電子線よりも遅行する状態さえ得られれば良く、第１進路からのスピン偏極電子線が第２進路からのスピン偏極電子線よりも進行する状態は不可欠でない。第２遅延装置の存在は不可欠でない。
（７）試料の多くは、スピン偏極電子線の移動速度を低下させる。その低下分を測定するためには、第２遅延装置が不必要である。スピン偏極電子線の移動速度を増大させる試料を測定しない限り、第２遅延装置は不要である。

本明細書に記載の装置によってスピン偏極電子線のコヒーレンスを測定することが可能となり、スピン偏極電子線と試料の相互作用を測定することが可能となる。

第１実施例のコヒーレンス測定装置の構成を説明する図。 コヒーレンス測定装置で測定される干渉縞を示す図。 第２実施例のコヒーレンス測定装置の構成を説明する図。

以下に説明する実施例の技術的特徴を列記する。
コヒーレンス測定装置が、電子顕微鏡に組み込まれている。
コヒーレンス測定装置で、試料がスピン偏極電子線のスピン方向を回転させる回転角を測定する。
コヒーレンス測定装置で、試料がスピン偏極電子線のスピン方向を反転させる比率を測定する。
コヒーレンス測定装置で、試料がスピン偏極電子線の移動速度に与える変化を測定する。

図１は、第１実施例のコヒーレンス測定装置を示している。参照番号２は、半導体光陰極を示し、その上面に円偏光レーザー光を照射すると、その下面からスピン偏極電子線を放出する。ここでいうスピン偏極電子線は、アップスピンの電子数とダウンスピンの電子数を比較したときに、一方が他方を大きく優越しており、電子のスピン方向が偏在している電子線のことをいう。スピン偏極電子線を放出する装置の詳細は、国際公開ＷＯ２０１１/１２２１７１号公報と特開２００７−２５８１１９号公報に開示されており、重複説明を省略する。

半導体光陰極２の下面から放出されたスピン偏極電子線は、アノード電極４によって加速され、参照番号Ａに示す進路を下方に向かって進行する。半導体光陰極２に照射する円偏光レーザーの偏向方向を切換えることによって、大半の電子が進行方向を向くスピンを持っているスピン偏極電子線を利用するか、あるいは反進行方向を向くスピンを持っているスピン偏極電子線を利用するかを切換えることができる。

参照番号６はセパレータを示し、進路Ａに沿って下方に移動するスピン偏極電子線の進路を２進路に分割し、分割後の２進路が平行となるように進路を曲げる。セパレータ６を通過することで、第１進路Ｂ１に沿って進行するスピン偏極電子線と、第２進路Ｂ２に沿って進行するスピン偏極電子線に分割される。

第１進路Ｂ１上には、スピン方向回転機８と、第１遅延装置１０が配置されている。図１の（Ａ）は、スピン方向回転機８に入射する前のスピン偏極電子線のスピン方向を例示しており、ダウンスピンのスピン偏極電子線のスピン方向を示している。（Ｂ）は、スピン方向回転機８によってスピン方向がθだけ回転したスピン方向を例示している。第１遅延装置１０は、第１進路Ｂ１上を移動するスピン偏極電子線を遅らせる。例えば、時刻Ｔ１に第１遅延装置１０に入射した電子を、時刻Ｔ１＋Δｔ1において第１遅延装置１０から放出する。Δｔ1が遅延時間となる。

第２進路Ｂ２上には、第２遅延装置１２と、試料台１４が配置されている。第２遅延装置１２は、第２進路Ｂ２上を移動するスピン偏極電子線を遅らせる。例えば、時刻Ｔ２に第２遅延装置１２に入射した電子を、時刻Ｔ２＋Δｔ２において第２遅延装置１２から放出する。Δｔ２が遅延時間となる。
試料台１４には試料が置かれる。試料台１４は、スピン偏極電子線に透明である。試料は薄く、スピン偏極電子線が透過する。ただし、電子と試料の相互作用によって、スピン偏極電子線のスピン方向が回転したり、あるいはスピン偏極電子線の一部のスピン方向が反転したりする。試料によっては、試料を通過することで、電子の移動速度が変化することもある。あるいは、アップスピンの通過速度とダウンスピンの通過速度が異なることもある。

参照番号１６は、バイプリズムであり、第１進路Ｂ１上を移動してきたスピン偏極電子線と第２進路Ｂ２上を移動してきたスピン偏極電子線を重ね合わせる。
参照番号１８は、超高感度ＣＣＤカメラであり、多数のイメージセルを備えており、セル毎に各セルに到着した電子線の強度に比例する電圧を出力する。セル毎の出力電圧の分布は撮像面に到達した電子線の強度分布を示す。ＣＣＤカメラ１８は、撮像面に到達した電子線の強度分布を記憶する。

図１の測定装置の利用方法を説明する。
最初に、スピン方向回転機８による回転角θ＝ゼロであり、第１遅延装置１０による遅延時間Δｔ１＝ゼロであり、第２遅延装置１２による遅延時間Δｔ２＝ゼロであり、試料台１４に試料が置かれていないとする。すると、ＣＣＤカメラ１８は明瞭な干渉縞を撮影する。

次に試料台１４に試料をおく。すると電子と試料の相互作用によって、スピン偏極電子線のスピン方向が回転し、第１進路Ｂ１からの電子線と第２進路Ｂ２からの電子線の間に時間差が生じる。スピン偏極電子線の場合、バイプリズム１６で重ね合わせる２本のスピン偏極電子電のスピン方向が一致しているときには明瞭な干渉縞が現れ、スピン方向がずれると干渉縞の明瞭度が低下する。また、ＣＣＤカメラ１８で同時に撮影される２電子が半導体光陰極２から放出された際の時間差が短いほど明瞭な干渉縞が現れ、その時間差がコヒーレンス時間以上であると干渉縞が消失する。そのために、試料台１４に試料をおくと、ＣＣＤカメラ１８で撮影される干渉縞の明瞭度が低下する。

そこで試料台１４に試料をおいたら、スピン方向回転機８による回転角θを変化させながら干渉縞の明瞭度を測定する。この場合、「スピン方向回転機８による回転角θ＝試料によるスピン方向の回転角」の関係となったときに干渉縞の明瞭度が最大となり、スピン方向回転機８による回転角θがそれからずれるに従って干渉縞の明瞭度は低下する。図２における（ａ）（ｂ）（ｃ）は、スピン方向回転機８による回転角θと、干渉縞の明瞭度の関係を示し、この場合、スピン方向回転機８による回転角がθ２で干渉縞が最も明瞭となり、それからずれた回転角θ１とθ３では、干渉縞の明瞭度が低下する様子を示している。
この結果、試料とスピン偏極電子線の相互作用によって、スピン方向がθ２だけ回転したことが判明する。

次に、第２遅延装置１２による遅延時間Δｔ２＝ゼロとし、第１遅延装置１０による遅延時間Δｔ１を変化させながら、干渉縞の明瞭度を測定する。この場合、「第１遅延装置１０による遅延時間Δｔ１＝試料による遅延時間」の関係となったときに干渉縞の明瞭度が最大となり、第１遅延装置１０による遅延時間Δｔ１がそれからずれるに従って干渉縞の明瞭度は低下する。図２における（１）〜（５）は、第１遅延装置１０による遅延時間Δｔ１と、干渉縞の明瞭度の関係を示し、この場合、遅延時間Δｔ１＝ｔ３のときに干渉縞が最も明瞭となる場合を例示している。（２）と（４）は、干渉縞の明瞭度が予め設定した閾値となる場合を示し、（１）と（５）は、干渉縞の明瞭度が予め設定した閾値を下回る場合を示している。この結果、試料によってもたらされる遅延時間はｔ３であり、コヒーレンス時間は（ｔ３−ｔ２）あるいは（ｔ４−ｔ３）であることがわかる。試料によって、コヒーレンス時間は変化する。電子と強く相互作用する試料ほど、コヒーレンス時間が短くなる。
以上のようにして、図１のコヒーレンス測定装置によって、試料がスピン方向を回転させる回転角θ２と、試料が電子線の進行速度を遅らせる遅延時間ｔ３と、試料通過後のコヒーレンス時間を測定することができる。コヒーレンス時間と電子の移動速度から、コヒーレンス長を測定することもできる。

上記のコヒーレンス測定装置は、半導体光陰極２が放出するスピン偏極電子線のコヒーレンス時間を測定することもできる。この場合は、試料をおかず、スピン方向回転機８による回転角θ＝ゼロとし、第２遅延装置１２による遅延時間Δｔ２＝ゼロとし、第１遅延装置１０による遅延時間Δｔ１をゼロから増大させながら干渉縞の明瞭度を測定する。遅延時間Δｔ１＝ゼロのときに最大の明瞭度となり、第１遅延時間Δｔ１が長くなるにつれて干渉縞の明瞭度が低下する。干渉縞の明瞭度が予め設定した閾レベルを下回る時の第１遅延時間Δｔ１からコヒーレンス時間を測定することができる。
次に、試料をおかず、スピン方向回転機８による回転角θ＝ゼロし、第１遅延装置１０による第１遅延時間Δｔ１＝ゼロとし、第２遅延装置１２による第２遅延時間Δｔ２をゼロから増大させながら干渉縞の明瞭度を測定する。第２遅延時間Δｔ２＝ゼロのときに最大の明瞭度となり、第２遅延時間Δｔ２が長くするにつれて明瞭度が低下する。干渉縞の明瞭度が予め設定した閾レベルを下回る時の第２遅延時間Δｔ２からコヒーレンス時間を測定することができる。
上記では、Δｔ１とΔｔ２の双方を計測する。理論的には、Δｔ１またはΔｔ２の一方からコヒーレンスを知ることができる。第１遅延装置１０と第２遅延装置１２のいずれかがあれば、コヒーレンスを測定することができる。

試料によっては、試料を通過するスピン偏極電子線が加速されることがある。この場合は、第１遅延装置１０による第１遅延時間Δｔ１＝ゼロとし、スピン方向回転機８による回転角θと第２遅延装置１２による第２遅延時間Δｔ２を変えながら、干渉縞の明瞭度を測定する。試料による加速効果が第２遅延装置１２による遅延効果によって相殺されたときに干渉縞の明瞭度が最大となる。第２遅延装置１２があれば、試料がスピン偏極電子線を加速させる場合にも対応可能となる。
大半の試料は、試料を通過する電子線の移動速度を遅らせる。その遅れの程度を測定できればよい場合、第２遅延装置は不可欠でない。

試料によっては、試料を通過するスピン偏極電子のうちの一部のスピン方向が反転することがある。明瞭度が最大になったときの干渉縞の明瞭度から、スピン方向が反転したスピン偏極電子の割合を測定することもできる。電子と強く相互作用する試料ほど、スピン方向を反転させる割合が強く、例えばメモリ材料として使用するのに適さないことが判明する。試料の特性を知ることが可能となる。
また、遅延時間と回転角を調整しながら干渉縞の明瞭度を測定することで、たとえばアップスピン電子が試料を通過する速度と、ダウンスピン電子が試料を通過する速度を測定することも可能である。

（第２実施例）
図３は、コヒーレンス測定装置を透過型電子顕微鏡に組み込んだ装置の構成を示しており、図１で説明した要素については、同じ参照番号を用いることで重複説明を省略する。
参照番号３０は、スピン偏極電子線の発生装置以外の電子顕微鏡の構成を示している。参照番号２０は、スピン偏極電子線発生装置―透過型電子顕微鏡の結合装置を示し、２２は集束レンズを示し、２４は試料レンズを示し、２６は中間レンズを示し、２８は投影レンズを示している。これらの詳細は国際公開ＷＯ２０１１/１２２１７１号公報に開示されており、重複説明を省略する。
コヒーレンス測定装置を透過型電子顕微鏡に組み込むと、試料内の微小範囲毎に、試料とスピン偏極電子線の相互作用を測定することが可能となる。
なお、セパレータ６は、集束レンズ２２の上流側にあってもよいし、下流側にあってもよい。またバイプリズム１６は、試料レンズ２４と中間レンズ２６の間にあってもよいし、中間レンズ２６と投影レンズ２８の間にあってもよいし、投影レンズ２８とＣＣＤカメラ１８の間にあってもよい。スピン方向回転機８と第１遅延装置１０と第２遅延装置１２は、セパレータ６とバイプリズム１６の間にあればよく、集束レンズ２２、試料レンズ２４、中間レンズ２６、投影レンズ２８との位置関係には制約されない。試料台の上流にセパレータがあり、試料レンズの下流にバイプリズムがあり、第１進路を移動するスピン偏極電子線と第２進路を移動するスピン偏極電子線の双方が試料レンズを通過する関係にあればよい。
本実施例では、ＴＥＭにコヒーレンス測定装置を組み込んでいるが、ＳＥＭ，ＬＥＥＭ，ＲＨＥＥＤなど、すべての電子線使用装置にコヒーレンス測定装置を組み込むことができる。

図１のコヒーレンス測定装置で得られる事象を、数式で説明する。
アップスピンのスピン偏極電子は数１で示され、ダウンスピンのスピン偏極電子は数２で示される。

スピン方向回転機は、数３に示す操作を加える。θは電子の進路に沿った面内でのスピン方向を示す角度であり、φは電子の進路に直交する面内でのスピン方向を示す角度である。

第１遅延装置は、数４に示す操作を加え、第２遅延装置は、数５の操作を加える。

半導体光陰極２がアップスピンを放出している場合、第１経路からバイプリズムに入射する電子線の波動方程式は数６となり、第２経路からバイプリズムに入射する電子線の波動方程式は数７となる。数７におけるＴは、試料が電子線に与える相互作用を示す。

バイプリズムで重ね合された電子線の強度は数８に示すものとなる。

試料を挿入しない場合は、Ｔ＝１となる。
この場合、干渉縞を示す式は数９となり、遅延装置の遅延時間と干渉縞の明瞭度の関係から、スピン偏極電子線自体のコヒーレンスを測定することができる。
試料中でスピンフロップが生じる場合は、数１０が成立し、干渉縞を示す式は数１１となる。スピン方向回転機の回転角を変化させながら干渉縞の明瞭度を測定することで、スピンフリップの効果を測定することができる。

試料によって、アップスピン電子との相互作用と、ダウンスピン電子との相互作用が相違することがある。そのときの試料による作用は数１２となる。
その場合、アップスピン電子によるときの干渉縞は数１３となり、ダウンスピン電子によるときの干渉縞は数１４となる。数１３と数１４から、数１５が得られる。数１５と測定結果から、試料の内部ポテンシャルの差を求めることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (8)

1. スピン方向が偏在しているスピン偏極電子線を放出する半導体光陰極と、
   その半導体光陰極が放出したスピン偏極電子線の進路を２分するセパレータと、
   そのセパレータによって分割された一方の進路（第１進路）上に配置されているスピン方向回転機と第１遅延装置と、
   前記セパレータによって分割された他方の進路（第２進路）上に配置されている試料台と、
   前記第１進路と前記第２進路に分割されたスピン偏極電子線を重ね合わせるバイプリズムと、
   前記バイプリズムが重ね合わせたスピン偏極電子線の強度分布を測定する強度分布測定装置を備えているスピン偏極電子線のコヒーレンス測定装置。
2. 前記第２進路上に配置されている第２遅延装置をさらに有する請求項１に記載のコヒーレンス測定装置。
3. 請求項１又は２に記載のコヒーレンス測定装置が組み込まれている電子顕微鏡であり、
   前記半導体光陰極が、電子顕微鏡の電子線源を兼用している電子顕微鏡。
4. 請求項１又は２に記載のコヒーレンス測定装置が組み込まれている電子顕微鏡であり、
   前記第１進路と前記第２進路を移動するスピン偏極電子線の双方が、電子顕微鏡の試料レンズを通過する電子顕微鏡。
5. 前記バイプリズムが、前記試料レンズの下流に配置されている請求項４に記載の電子顕微鏡。
6. 前記セパレータが、前記試料台の上流に配置されている請求項５に記載の電子顕微鏡。
7. 請求項１又は２に記載のコヒーレンス測定装置を利用して、試料がスピン偏極電子線のスピン方向を回転させる回転角を測定する方法であり、
   前記スピン方向回転機による回転角と前記強度分布測定によって得られる干渉縞の明瞭度の関係を測定し、前記干渉縞が最も明瞭となる回転角を特定する測定方法。
8. 請求項２に記載のコヒーレンス測定装置を利用して、試料がスピン偏極電子線の移動速度に与える変化を測定する方法であり、
   前記第１遅延装置による遅延時間と前記第２遅延装置による遅延時間の時間差と前記強度分布測定によって得られる干渉縞の明瞭度の関係を測定し、前記干渉縞が最も明瞭となる時間差を特定する測定方法。

Images