WO2012173007A1 - スピン回転装置 - Google Patents

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multipole
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常夫 安江
孝範 越川
津野　勝重
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サンユー電子株式会社
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    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/04—Means for controlling the discharge
    • H01J2237/041—Beam polarising means
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/15—Means for deflecting or directing discharge
    • H01J2237/1505—Rotating beam around optical axis

Definitions

  • the present invention provides a Mott detector for electrons emitted from an electron gun that emits spin-polarized electrons, reflected spin-electrons from a magnetic sample, spin-polarized electrons emitted from the surface of a topological insulator, and the like.
  • the present invention relates to a spin rotator used to input the spin direction in accordance with the spin direction of the magnetic material or to adjust the spin direction of electrons to the magnetization direction of the magnetic material for observing the magnetic domain structure of the magnetic material.
  • a spin rotator has two types of mechanisms: a mechanism for rotating in a plane including the Z axis and a mechanism for rotating in an XY plane perpendicular to the Z axis when the electron traveling direction is the Z axis. is necessary.
  • a mechanism for mechanically rotating the sample or the detector may be provided.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view of such a spin rotator in which the magnetic potential distribution is written, and the trajectory of the electron beam incident thereon is shown together with the condenser lens systems (CL2, CL3) in the subsequent stage.
  • FIG. 13A shows a 90 ° deflection type spin rotation mechanism based on a similar principle together with the front and rear round lens systems.
  • the spin rotates with the rotation of the electrons as shown in FIG. 13C, and therefore the direction of the spin and the traveling direction of the electrons are the same after the 90 ° deflection. If a 90 ° rotation is realized by simultaneously applying an electric field and a magnetic field, the spin direction can be set to an intermediate value between 0 ° and 90 °.
  • Non-Patent Document 2 a method using a Wien filter as disclosed in Non-Patent Document 2 is known.
  • Fig. 14 shows an example of a Wien filter type spin rotator and the electron trajectory when the Wien filter electric field / magnetic field is turned off and the spin is rotated by 90 °. A simulated example is shown.
  • the Wien filter is in principle the same as a 90 ° deflection type spin rotator, and it also adds an electric field and a magnetic field superimposed, but the direction of deflection of electrons by the electric field is opposite to that by the magnetic field. The difference is that the direction of voltage and current is set. In the 90 ° deflection type, both deflections are set in the same direction.
  • the direction of deflection by the electric field and the magnetic field is opposite, and at the same time, the magnitude of the electric field and the magnetic field is set so that the magnitude of the deflection by the electric field and the magnitude of the deflection by the magnetic field are always the same.
  • the beam goes straight.
  • El, B1, and v are the uniform electric field, the magnitude of the uniform magnetic field, and the velocity of the electrons, respectively.
  • Uo 20,000 V
  • R 5 mm
  • L 80 mm
  • the magnetic field is obtained from the Wien condition shown above.
  • the Wien filter when used, the magnitudes of the electric field and the magnetic field must always be in a relationship satisfying the Wien condition so that the electron beam travels straight. For this reason, in order to adjust to various spin rotation angles, it is impossible to make the electric field and magnetic field the same value as in a 90 ° deflector.
  • the spin rotation angle is determined by adjusting the value of the magnetic field. Therefore, as shown in FIG. 14, the lens conditions in the previous stage of the Wien filter are set so that the beam is focused on the center of the Wien filter. In this way, as shown in the lower diagram of FIG. 13, even after the spin is rotated by applying an electric field / magnetic field, the lens condition of the rear lens does not greatly change, so the readjustment of the condenser lens system is minimized.
  • the spin rotation requires two types of rotation, that is, the rotation in the plane including the traveling direction Z of the electron beam and the rotation in the XY plane perpendicular to this.
  • the rotation in the plane including the traveling direction Z of the electron beam
  • the rotation in the XY plane perpendicular to this.
  • four types of optical elements are required: round lens + in-plane rotator including Z axis + round lens + XY in-plane rotator.
  • FIG. 15 shows a case in which a Wien filter type rotator is included
  • FIG. 16 shows a spin rotation type having a 90 ° deflection spin rotator and an in-plane rotator with a magnetic field type lens.
  • the present invention provides a spin rotating device that rotates a spin-polarized electron beam emitted or reflected from an electron gun or a sample in an arbitrary direction.
  • the first condenser lens that focuses the reflected spin-polarized electron beam
  • a multipole element that is capable of generating an electric field and a magnetic field at the center of the lens where the electron beam is focused by the first condenser lens.
  • a second condenser lens for focusing an electron beam whose spin is rotated by a spin rotator. Unishi to have.
  • V1 (n) V1Cos ( ⁇ 0 + n ⁇ + ⁇ )
  • N1 (n) N1Sin ( ⁇ 0 + n ⁇ + ⁇ )
  • n is the pole number
  • V1 (n) and N1 (n) are the voltage and current of the nth pole
  • V1 and N1 are uniform field voltages and currents that satisfy the Wien condition
  • ⁇ 0 is the first pole. Is an angle determined by the number of multipole elements, 360 ° / number of poles
  • ⁇ represents the direction of spin.
  • the multipole is set to be an integer multiple of 4.
  • one or more of a quadrupole electric field and a magnetic field for correcting astigmatism is supplied to the multipole element.
  • the magnetic poles that make up the multipole are separated into the inner side and the outer side, and a vacuum-proof partition is provided between them to wind the coil around the outer poles.
  • the length of the pole inside the vacuum barrier is made to be at least four times the diameter of the center circle through which the electron beam passes, and the difference in Vienna conditions due to the difference in shape between the electrode and the magnetic pole I try to reduce it.
  • the spin direction of the electron beam is deflected to the XY plane perpendicular to the traveling direction Z of the electron beam, and is deflected in an arbitrary direction within the XY plane.
  • the sample is a magnetic sample or topological insulator.
  • the present invention comprises a first condenser lens, a spin rotator having a multipole capable of generating an electric field and a magnetic field, a Wien condition generating means, and a second condenser lens, and directs the direction of an electron beam and designates spin.
  • a spin rotator having a multipole capable of generating an electric field and a magnetic field
  • a Wien condition generating means and a second condenser lens
  • the Wien filter has been used for a long time with a conventional type in which an electrode is inserted between unillustrated electromagnets. In that case, the distribution of the electric field and magnetic field in the fringe portion is the same. Therefore, even if the voltage and current are adjusted so that the Wien condition is satisfied in the central part, the fringe part inevitably deviates from the Wien condition, so the Wien filter can make the distribution of both fields the same.
  • a multipole Wien filter using an 8-pole or 12-pole using a conductive magnetic material was proposed in 1986 (Non-patent Document 3).
  • an electrode that creates an electric field and a magnetic pole that creates a magnetic field are the same 8 to 12 poles in the X-axis direction, and the pole in the Y-axis direction is used as the magnetic pole. And the distribution of the fringe field of the magnetic field is almost the same.
  • the diagonal field is used for both electrodes and magnetic poles.
  • FIG. 1 shows an example of the Wien filter of the present invention.
  • Fig. 1 (a) shows the entire 12-pole Wien filter. Twelve wedges in the center are 12-pole poles (electrodes and magnetic poles) 1, a vacuum vessel 2 is placed on the outside, and the outside is magnetically connected between the magnetic pole 3 for magnetic field and the magnetic poles. And a yoke 4 connected to each other. A coil (not shown) is wound around each of the twelve magnetic poles 3.
  • Fig. 1 (b) shows an octupole Wien filter.
  • coils (not shown) are wound around the poles 1 inside the vacuum. At this time, it may be cut near the wedge-shaped outer periphery of each pole 1 to increase the space for winding the coil.
  • the direction of spin fall is the X axis direction used as an electric field.
  • the electron beam that deflects the spin travels straight in the direction perpendicular to the plane of the paper (Z axis).
  • the illustrated vacuum vessel 2 may be a yoke (yoke of a plurality of poles 1), and the yoke 2 may be housed in a vacuum vessel not shown.
  • FIG. 2 shows a spin rotation explanatory diagram of the present invention.
  • the spin rotator shown in FIG. 1 is a 12-pole fin filter having the configuration shown in FIG. 1.
  • XY When a spin directed in the Z-axis direction (electron beam traveling direction) incident from the left exits the Wien filter, XY is shown.
  • Fig. 2 (a) When adjusting (adjusting the magnetic field and electric field) so that one is upward (see Fig. 2 (a)) and the other is sideways (see Fig. 2 (b)) within the plane (plane perpendicular to the Z axis)
  • the state of spin rotation in the Wien filter is schematically shown.
  • the electrodes for generating the electric field are 4 and 5 on the left side and 1 and 8 on the right side.
  • 5 and 6 are used instead of 4 and 5
  • 1 and 8 If 1 and 2 poles are used as electrodes and 3 and 4 are used as magnetic poles instead of 2 and 3, and 7 and 8 are used instead of 6 and 7, the direction rotated 45 ° counterclockwise compared to the first is X If the spin is rotated using this Wien filter, the direction in which the spin falls is 45 ° in the plane. The same thing can be done in the direction rotated 45 ° further by using the next pole, and as a result, the spin can be brought down in the 90 ° direction.
  • ⁇ 0 is 22.5 ° in the case of an octupole as shown in FIG. 1B, ⁇ is 45 °, and n is 1-8.
  • ⁇ is an angle to be rotated.
  • ⁇ 0 takes a non-zero value.
  • ⁇ 0 0.
  • FIG. 3 shows a spin rotation explanatory diagram (part 2) of the present invention.
  • FIG. 4 shows a spin rotation explanatory diagram (part 3) of the present invention.
  • the X direction that is, 0 ° direction by the Sin, Cos method (sine cosine method), and 45 ° rotation from the X direction, and the X direction, the Y direction, and both directions are added by the vector composition method described above.
  • a value obtained by dividing the value by ⁇ 2 and a case where the direction is 45 ° are shown.
  • the Sin, Cos method the case of 0 ° and 45 ° is only shifted by one step, but in the case of the vector method, the value obtained by adding both is divided by ⁇ 2, and the value in the X direction is shifted by one step. You can see that they match. If the ratio of X and Y is changed, the angle can be changed from 45 ° to another angle.
  • Such a method of changing the direction of a uniform field by vector sum has been used for making a deflection field for a long time.
  • the spin rotation direction can be set by either the sine cosine method or the vector sum method.
  • FIG. 5 shows a spin rotation explanatory diagram (No. 4) of the present invention.
  • FIG. 5 shows an example of the direction of the electric field and the magnetic field of the present invention, and shows the case where the directions of the electric field and the magnetic field are rotated in order to perform 0 °, 20 °, and 40 ° spin rotation in the case of a 12-pole element. .
  • rotation with an angle smaller than the interval between the poles can be performed without any problem.
  • the multipole Wien filter if the direction of the electric field and magnetic field to be applied is rotated, the direction in which the spin is tilted can be rotated by an angle equal to the rotation angle of the electric field, and can be straightened as described later.
  • the rotational motion due to the magnetic field is merely reflected back by the electric field, so it can be estimated by the relationship between the deflection angle due to the magnetic field and the focusing condition of the beam. It is known that the rotation angle required for focusing of the magnetic field deflector under the condition of unidirectional focusing with only focusing in the X direction and no focusing in the Y direction is 180 °. Therefore, it can be seen that if the ampere turn is adjusted so that the beam is incident on the Wien filter in parallel and focused at the exit of the filter, this is the condition that the spin can be rotated by 90 °.
  • the shape after exiting the filter is an ellipse.
  • V (n) Vl (n) + V2 (n) and Ni (n) respectively represent the voltage applied to the nth pole and the number of coil turns applied to the current.
  • E2 -El / 4R (1)
  • E2 ⁇ 2U0 / L2 (4)
  • Vl rE1 (5)
  • V2 r2E2 (6)
  • V (n) V1 (n) + V2 (n) (7)
  • V1 (n) V1Cos ( ⁇ + ⁇ ) (8)
  • V2 (n) V2Cos (2 ( ⁇ + ⁇ )) (9)
  • E2 2 (1 + 1 / (2) 1/2) ⁇ U0 / L (10)
  • Bl El / v (11)
  • NT C1B1s / ( ⁇ ).
  • FIG. 9 shows electron trajectories of the ZX plane and the ZY plane.
  • V (n) Vl (n) + CV2 (n)
  • C 0.875. The reason why the value of the quadrupole field to be added is smaller than the calculated value lies in the action of the fringe field.
  • FIG. 10 is an explanatory view (part 9) of the spine rotation of the present invention.
  • This FIG. 10 shows an entrance lens (a lens focused on the center of the rotator (lens center)) and a condenser lens (the center of the rotator (lens center)) of the Wien-type omnidirectional spin rotator.
  • 2 shows an irradiation lens system including a lens focused on an irradiated surface.
  • a single stage condenser lens is shown, but if another stage is added, an irradiation lens system capable of controlling a wide irradiation area can be obtained.
  • FIG. 11 shows a spin rotation explanatory diagram (No. 10) of the present invention.
  • FIG. 11 shows an example of the Wien filter of the present invention. Since a Wien filter used as a spin rotator is often used in an ultrahigh vacuum, it is required to take out a coil for generating a magnetic field out of the vacuum as described with reference to FIG.
  • each pole is divided into two, and a pipe (nonmagnetic) as the vacuum vessel 2 is inserted between the inner and outer poles.
  • a pipe nonmagnetic
  • the disadvantage of this structure is that since the vacuum vessel is made of metal, the multipole electric field is configured only inside the vacuum vessel, whereas the magnetic field coil is wound around the pole 3 outside the vacuum pipe.
  • the pole magnetic field extends to the outside of the vacuum vessel, and the length of each pole constituting the electric field and the magnetic field is different.
  • the vacuum vessel takes more than four times the diameter of the space / gap where the electric field and magnetic field are created, the difference in length between the electrode and the magnetic pole is not a problem in practice.
  • FIGS. 6 (a) and 9 (a) are diagrams showing electron trajectories on the XZ plane. If the Wien condition no longer holds due to the difference in the shape of the electrodes and magnetic poles, this trajectory is in the middle. It turns out that it does not constitute a straight optical axis, but as shown here, since the optical axis remains straight, it has been found that the problem of the difference in length between the electrode and the magnetic pole has been overcome.
  • the emission of spin-polarized electrons in a vacuum is not limited to such a case, and a beam directed in a specific direction in the XY plane may be emitted.
  • a beam directed in a specific direction in the XY plane may be emitted.
  • the value of the angle of the XY plane may be any value.
  • the spin is oriented in the XY plane and the spin is desired to rotate in the XY plane in a direction different from the initial spin direction.
  • it is set to rotate the value of the electric field / magnetic field of the 90 ° rotation of the spin described above, that is, a 180 ° spin.
  • the electric field / magnetic field of each octupole is set so that the angle of the spin in the XY plane corresponds to the case where the angle is finally aimed.
  • the spin rotates 90 ° in the first half and faces in the Z direction.
  • the other half spins from the Z direction described above into the ZY plane again, but the angle in the XY plane at this time points in the specified angle direction.
  • FIG. 6 is an explanatory view (No. 5) of spin rotation according to the present invention. It is spin rotation explanatory drawing (the 6) of this invention. It is spin rotation explanatory drawing (the 7) of this invention. It is spin rotation explanatory drawing (the 8) of this invention. It is spin rotation explanatory drawing (the 9) of this invention. It is spin rotation explanatory drawing (the 10) of this invention.

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Abstract

　本発明は、電子銃あるいは試料から放出あるいは反射されたスピン偏極した電子線を任意の方向に回転させるスピン偏極装置に関し、簡略な構造にして照射系全体をコンパクトにすることを目的とする。　電子銃から放出、あるいは試料から放出または反射されたスピン偏極した電子線をフォーカスさせる第１のコンデンサレンズと、第１のコンデンサレンズで電子線がフォーカスされた点がレンズ中心であって、かつ電場および磁場を発生可能な多極子を有するスピン回転器と、スピン回転器を構成する多極子に、指定された角度だけ電子線のスピンを回転させかつ電子線を直進させるウィーン条件を満たす電圧および電流を印加するウィーン条件発生手段と、スピン回転器でスピンの回転された電子線をフォーカスする第２のコンデンサレンズとを備える。

Description

スピン回転装置
　本発明は、スピン偏極した電子を放出する電子銃から出た電子や、磁性体試料からのスピン偏極した反射電子、トポロジカル絶縁体表面から放出されたスピン偏極した電子などをモット検出器にスピンの方向を合わせて入力するため、あるいは磁性体の磁区構造観察のために磁性体の磁化方向に電子のスピンの向きを合わせるためなどに使用するスピン回転装置に関するものである。
　従来、スピン回転器は電子の進行方向をＺ軸としたとき、Ｚ軸を含む面内での回転を行わせる機構と、これに垂直なＸＹ面内での回転を行う機構との２種類が必要である。後者については、試料又は検出器を機械的に回転する機構を設ける場合もあるが、電磁的に行う方法としては、非特許文献１に記載されたＤｕｄｅｎらによる軸対称磁場レンズによる方法が最も一般的である。
　以下、図１２から図１６の従来技術の説明図をもとに詳細に説明する。
　図１２にこのようなスピン回転器の断面図に磁気ポテンシャル分布を書き込んだ図と、そこに入射した電子ビームの軌道を後段のコンデンサレンズ系（ＣＬ２，ＣＬ３）と共に示した。
　また、Ｚ軸を含む面内でのスピン回転器としては、これも先ほどのＤｕｄｅｎらの論文にあるような９０°の電場偏向器と磁場偏向器を重畳した装置がある。図１３（ａ）に同じような原理による９０°偏向型スピン回転機構をその前後のラウンドレンズ系と共に示した。スピンの向きが電子の進行方向と同じである場合、電場のみで９０°偏向を行わせれば、図１３（ｂ）に示すように、出てきたビームのスピンの向きは変化しないが電子の進行方向は９０°回転しているので、スピンの向きは電子の進行方向と９０°の傾きを持つことになる。磁場のみで９０°偏向させれば、図１３（ｃ）に示すように、スピンは電子の回転と共に回転するので、９０°偏向後もスピンの向きと電子の進行方向は同じである。電場と磁場を同時にかけて合わせて９０°回転を実現すれば、スピンの向きは０°と９０°の中間の値にとることができる。
　上の装置の場合は電子ビームを常に９０°回転しなければならないが、装置によってはこれが不都合な場合もある。あくまでも電子の進行方向は直線を保ったまま、スピンだけを回転したい場合もある。このような要求に対しては、非特許文献２に掲載したようにウィーン（Ｗｉｅｎ）フイルタを用いる方法が知られている。
　図１４にウィーンフィルタ式のスピン回転器の一例と、それをラウンドレンズではさんで、ウィーンフィルタの電場・磁場をオフにした場合と、スピンを９０°回転する条件にした場合の電子の軌道をシミュレーションした例を示した。
　ウィーンフィルタは９０°偏向型のスピン回転器と原理的には同じで、やはり電場と磁場を重畳して加えているのであるが、電場による電子の偏向方向と磁場によるそれが逆向きになるように電圧と電流の向きが設定されている点が異なっている。９０°偏向型では、両者の偏向が同じ向きになるように設定されている。
　ウィーンフィルタでは、電場と磁場による偏向の向きが反対であると同時に、電場による偏向の大きさと磁場による偏向の大きさが常に同じになるように電場と磁場の大きさを設定してあり、その結果としてビームは直進する。このビーム直進の条件をウィーン条件と呼び、Ｅ１＝ｖＢｌとあらわされる。Ｅｌ，Ｂ１とｖはそれぞれ一様電場、一様磁場の大きさと電子の速度である。スピンは磁場によってだけ回転し、その大きさは、
　ラーモア歳差運動の周波数　　ω＝ｅＢ／ｍ
　回転角度　α＝Ｌω／ｖ＝ＬｅＢ１／ｍｖ　　　Ｌ：フィルタ長
　ここで、ウィーン条件　Ｅ１＝ｖＢ１　と速度の２乗　ｖ2＝３ｅＵｏ／ｍを代入すると、
　　α＝ＬＥ１／２Ｕｏで表される。
　電場の値Ｅ１をそれを作る電極電圧Ｖ１に変換すると、
　　Ｖ１＝Ｅ１Ｒ　　　Ｒ：中心の丸穴の半径
　　α＝π／２（９０°）、Ｕｏ＝２０，０００Ｖ、　Ｒ＝５ｍｍ、　Ｌ＝８０ｍｍとして、
　　Ｖ１＝２ｘ２０，０００ｘ５π／２ｘ８０＝３９２６．６９Ｖ
と求まる。磁場は先に示したウィーン条件から求められる。
　ここで、ウィーンフィルタを使用した場合には電場と磁場の大きさは電子ビームを直進させるために常にウィーン条件を満たす関係に置いておかなければならない。このため、いろいろなスピン回転角に調整するためには、９０°偏向器のように電場・磁場を合わせて一定の値にするということができない。磁場の値の調整によってスピン回転角が決まることになる。そこで、図１４に示すようにウィーンフィルタの中心にビームがフォーカスするようにウィーンフィルタの前段のレンズ条件を設定しておく。このようにすると、図１３の下の図に示すように、電場・磁場を加えてスピンを回転させた後でも、後段レンズのレンズ条件が大きくは狂わないため、コンデンサレンズ系の再調整が最小限で済み、スピンだけを回転させることができる。
T.Duden, E.Bauer, A compact electron-sipin-polarization manipulater, Rev. Sci. Instrum 66(4) 1995, 2861-2864. T. Kohashi, M. Konoto, K. Kike J-Electorn Microscopy 59(1)(2010)43-52. T.T.tang, Optik 74(1986) 51-56.
　上で説明したように、スピンの回転には電子ビームの進行方向Ｚを含む面内の回転と、これと垂直なＸＹ面内の回転の２種類が必要であり、それぞれの場合に電子ビームをそれぞれの機器の中心面上にフォーカスさせるための補助のラウンドレンズを必要とすることで、ラウンドレンズ＋Ｚ軸を含む面内回転器＋ラウンドレンズ＋ＸＹ面内回転器の４種類の光学素子を必要とする。ウィーンフィルタ型回転器を含む場合を図１５に、９０°偏向スピン回転器と磁場型レンズによる面内回転器を備えたスピン回転形を図１６に示す。
　これらの機構のほかに、通常のＬＥＥＭで必要とされるコンデンサレンズ系が必要である。このように、電子銃からビームセパレーターを通して試料にまで至る電子ビーム照射系は非常に大がかりなものとなってしまうという大きな問題があった。
　このような状況から、スピン回転器をもっと簡略な構造にし、照射系全体をコンパクトにすることが求められていた。
　本発明は、これらの問題を解決するために、電子銃あるいは試料から放出あるいは反射されたスピン偏極した電子線を任意の方向に回転させるスピン回転装置において、電子銃から放出、あるいは試料から放出または反射されたスピン偏極した電子線をフォーカスさせる第１のコンデンサレンズと、第１のコンデンサレンズで電子線がフォーカスされた点がレンズ中心であって、かつ電場および磁場を発生可能な多極子を有するスピン回転器と、スピン回転器を構成する多極子に、指定された角度だけ電子線のスピンを回転させかつ電子線を直進させるウィーン条件を満たす下式で表される電圧および電流を印加するウィーン条件発生手段と、スピン回転器でスピンの回転された電子線をフォーカスする第２のコンデンサレンズとを備えるようにしている。
　　Ｖ１（ｎ）＝Ｖ１Ｃｏｓ（θ０＋ｎθ＋α）
　　Ｎ１（ｎ）＝Ｎ１Ｓｉｎ（θ０＋ｎθ＋α）
　ここで、ｎは極の番号、Ｖ１（ｎ）とＮ１（ｎ）はｎ番目の極の電圧と電流、Ｖ１とＮ１はウィーン条件を満たす一様場の電圧と電流、θ０は１番目の極の水平方向からの角度、θは多極子の数によって決まる角度であって３６０°／極数、αはスピンの向きをそれぞれ表す。
　この際、多極子が４の整数倍となるようにしている。
　また、多極子に、非点を補正する４極子の電場および磁場のうちの１つ以上を供給するようにしている。
　また、多極子を構成する磁場の極を、内側と外側に分離してその間に耐真空用の隔壁を設けて外側の極にコイルを巻くようにしている。
　また、耐真空用の隔壁の内側の極の長さを、電子線が通過する中心部の円の直径の４倍以上の長さにして、電極と磁極との形状違いによるウィーン条件の違いを低減するようにしている。
　また、電子線のスピンの向きを、電子線の進行方向Ｚと直角方向のＸＹ面に偏向、およびＸＹ面内で任意の向きに偏向するようにしている。
　また、試料を、磁性体試料あるいはトポロジカル絶縁体とするようにしている。
　本発明は、第１のコンデンサレンズ、電場および磁場を発生可能な多極子を有するスピン回転器、ウィーン条件発生手段、および第２のコンデンサレンズを備えて電子線の方向を直進させかつスピンを指定された角度に回転させることにより、簡略な構造で電子線を直進させかつスピンを任意の方向に回転させる装置の実現が可能となる。
　ここで、ウィーンフィルタには従来の図示外の電磁石の間に電極を挿入した型のものが古くから用いられてきたが、その場合には、フリンジ部分での電場と磁場の分布が同じ形にならないため、中心部でウィーン条件を満足するように電圧と電流を調整してもフリンジ部分でウィーン条件からのはずれがどうしても起こることから、両方の場の分布を同じにすることのできるウィーンフィルタとして導電性の磁性体を用いた８極ないしは１２極子を用いた多極子ウィーンフィルタが１９８６年に提案されていた（非特許文献３）。
　多極子の場合には、電場を作る電極と、磁場を作る磁極が同じ８ないし１２極のＸ軸方向にあるものが電極として用いられ、Ｙ軸方向にある極が磁極として用いられるため、電場と磁場のフリンジ場の分布が同－に近くなる。対角線方向の場は電極・磁極の両方を兼ねて用いられる。
　図１は、本発明のウィーンフィルタ例を示す。
　図１（ａ）に１２極子ウィーンフィルタの全体を示した。中心部の１２個のくさび状のものが１２極子の極（電極かつ磁極）１であり、その外側に真空容器２が置かれ、さらに外側を磁場のための磁極３と当該磁極間を磁気的につなぐヨーク４とで構成されており、１２個の各々の磁極３に図示外のコイルが巻かれる構造となっている。
　図１（ｂ）には８極子ウィーンフィルタを示した。この場合には、図示外のコイルは真空の内部の極１にそれぞれ巻かれることになる。このときそれぞれの極１のくさび型の外周近くで切り込んで、コイルを巻くスペースを大きくとる場合もある。このような多極子ウィーンフィルタをＺ軸を含む面内のスピン回転子として用いた場合には、スピンの倒れる方向は電場として利用されるＸ軸方向となる。尚、スピンを偏向させる電子線は、中央の軸を紙面に直角方向（Ｚ軸）に直進する。また、図１の（ｂ）で、図示の真空容器２はヨーク（複数の極１のヨーク）とし、図示外の真空容器内に当該ヨーク２を収納するようにしてもよい。
　図２は、本発明のスピン回転説明図を示す。図示のスピン回転器は、図１の構成を持つ１２極子のフィーンフィルタであって、左側から入射したＺ軸方向（電子線の進行方向）を向いたスピンが、ウィーンフィルタを出たときにＸＹ面（Ｚ軸に直角方向の面）内で一方は上向き（図２（ａ）参照）、他方は横向き（図２（ｂ）参照）になるように調整（磁場と電場とを調整）した場合のウィーンフィルタ内でのスピンの回転の様子を模式的にそれぞれ示す。
　［スピン回転の方法］
　次に、説明を簡単にするために、図１の（ｂ）の８極のウィーンフィルタを用いた場合について以下説明する。電場を発生させる電極となるのは図１（ｂ）において左側が４と５、右側が１と８であるが、今仮に４と５の代わりに５と６を用い、１と８の代わりに１と２極を電極として用い、磁極として２と３の代わりに３と４、６と７の代わりに７と８を用いたとすれば最初と比べて４５°反時計回りに回転した方向がＸ軸即ち電場方向となり、このウィーンフィルタを使ってスピンを回転させれば、スピンの倒れる方向は面内で４５°の方向となる。同じことは次の極を使えばさらに４５°回転した方向に倒すことができ、結果として９０°方向にスピンを倒すことができる。
　こうして、極のある方向にスピンを倒すことができることはわかるが、図１（ｂ）の８極では４５°ステップ、図１（ａ）および図２の１２極を使えば３０°スチップでしかスピンを回転できないようにみえる。
　しかし、本発明ではあらゆる角度にスピンを回転することができてそれは、８極子又は１２極子（更に、その４極の整数倍）に次のようにして加える電圧、電流を調整すればよい。即ち、図１（ｂ）の１～８極のそれぞれをｎ（即ちｎ＝１，２，３・・・８）と置けば、
　　Ｖ１（ｎ）＝Ｖ１Ｃｏｓ（θ０＋ｎθ＋α）
　　Ｎ１（ｎ）＝Ｎ１Ｓｉｎ（θ０＋ｎθ＋α）
　ここで、θ０は図１（ｂ）のような８極子の場合は、２２．５°で、θは４５°、ｎは１～８となる。αは、回転させたい角度である。電極１を図１（ｂ）のように水平方向から外して置いた場合は、θ０が零でない値をとるが、電極１を水平に置いた場合は、θ０＝０なる。αが零の時に回転のない普通の場合の電庄配置になる。
　図３は、本発明のスピン回転説明図（その２）を示す。この図３は、１２極子の場合であって、０°方向（θ＝０°）の場合と、２０°方向（θ＝２０°）の場合とについて計算で求めた各極に与える電圧値を示す。ここで、Ｖｏ＝１００Ｖとした場合に、各極１から１２にそれぞれ印加する、電圧例を示す。
　尚、８極フィルタの場合には、２，３、６、７の極は１、４，５，８極の電圧に対して、（√２－１）にすることが知られている。これをＸ方向とする。同じ値をＹ方向に与えた場合は９０°回転した場合に相当する。ＸとＹを足し合わせるとＸとＹのベクトル合成の方向、即ち４５°方向に場が向くことになる。
　図４は、本発明のスピン回転説明図（その３）を示す。図４において、Ｓｉｎ，Ｃｏｓ法（サインコサイン法）でＸ方向即ち０°方向と、ここから４５°回転させた場合と、上に説明したベクトル合成法で、Ｘ方向とＹ方向および両方向を足し合わせて４５°方向とした場合と、その値を√２で割った値を示してある。Ｓｉｎ，Ｃｏｓ法では０°と４５°の場合が一段ずれているだけであるが、ベクトル法の場合も両者を足し合わせた値を√２で割ると、Ｘ方向の値を一段ずらせたものと一致することがわかる。ＸとＹの割合を変えれば４５°ではなく別の角度にすることもできる。このようなベクトル和によって一様場の向きを変える方法は、昔から偏向場を作るときに利用されていた。
　このようにスピン回転方向の設定は、サインコサイン法であれ、ベクトル和法であれいずれの方法によっても設定することができる。
　図５は、本発明のスピン回転説明図（その４）を示す。この図５は、本発明の電場と磁場の向きの例を示し、１２極子の場合について０°、２０°、４０°スピン回転を行わせるために、電場と磁場の向きを回転させる場合を示す。このように極の間隔よりも小さな角度の回転も問題なく行うことができる。多極子ウィーンフィルタを用いることによって、加える電場と磁場の方向を回転すれば、スピンを倒す方向を電場の回転角と等しい角度だけ回転させ、かつ後述するように直進させることができる。
　次に、９０°偏向器の場合は、光軸に平行な方向を向いたスピンは電場のみによってビームを９０°偏向すれば光軸と垂直方向を向くようになることは明らかであるが、ウィーンフィルタの場合は先に示したラーモア歳差運動による式から求めることができるが、ビームのフォーカスとの関係は、次のように理解される。
　ウィーンフィルタではビームが直進すると言っても磁場による回転運動を電場によって振り戻しているだけであるから、磁場による偏向角度とビームのフォーカス条件の間の関係によって推定することができる。Ｘ方向へのフォーカスだけをしてＹ方向フォーカスのない一方向フォーカスの条件での磁場偏向器のフォーカスに必要な回転角度は１８０°であることが知られている。したがって、ウィーンフィルタにビームを平行入射してフィルタの出口でフォーカスするようにアンペアターンを調整すれば、これがスピンを９０°回転できる条件であることがわかる。
　［一様場ウィンフィルタの問題点と４極場の付加］
　これまでは一様電場Ｅｌと一様磁場Ｂｌによるウィーンフィルタを使った場合を示した。この場合の電子軌道をＸＺ面とＹＺ面について描いてみるとそれぞれ図６（ａ）、（ｂ）のようになる。ウィーンフィルタがオフのときには、ウィーンフィルタの中心面上でフォーカスするように外部のレンズ系によってコントロールされているものとする。ここで、ＸＺ面ではウィーンフィルタのレンズ作用により、フォーカス位置はフィルタ中心から左に移動しているが、図６（ｂ）に示すＺＹ面ではＹ方向（磁場方向）にレンズ作用がないためフィルタをオフにしたときと同じ軌道を示している。つまり、Ｘ方向とＹ方向とでレンズ条件が異なることになる。図６で見る限りこの影響はそれほど深刻には見えないかもしれないが、図７に示すビーム形状を見るとフォーカスの違いは深刻であることがわかる。図７（ａ）はフィルタを出た後のＺ＝８０ｍｍと、図７（ｂ）はフィルタの中心Ｚ＝０ｍｍでのビーム形状を示している。フィルタを出た後の形は楕円形であり、Ｚ＝０では、フィルタがない場合はＹ方向では０になるようにビームを入射させているので、そのままほとんど０になっている。このように強い非点を有するビームとなってしまっては、試料に照射するための照射光学系としては使いにくくなってしまうので後の光学系でこの非点を取り除かなければならない。
　そこで、ウィーンフィルタそのものに４極子電場をくわえて、Ｙ方向にフォーカス作用を持たせ非点のないビームを作る方法を次に示す。以下の式は、非点のないビームを作るための４極子電場を求めるための計算式であり、合わせて一様場を求める式もー緒に記してある。Ｖ（ｎ）＝Ｖｌ（ｎ）＋Ｖ２（ｎ）、Ｎｉ（ｎ）がそれぞれｎ番目の極に与える電圧と電流かけるコイル巻き数を表している。
　Ｅ２＝－Ｅｌ／４Ｒ　　　　　　　（１）
　Ｒ＝Ｌ／（２）1/2π　　　　　　 （２）
　Ｅｌ＝（２）3/2　πＵ０／Ｌ　　 （３）
　Ｅ２＝π2Ｕ０／Ｌ2　　　　　　　（４）
　Ｖｌ＝ｒＥ１　　　　　　　　  　（５）
　Ｖ２＝ｒ2Ｅ２　　　　　　　　 　（６）
　Ｖ（ｎ）＝Ｖ１（ｎ）＋Ｖ２（ｎ）　        （７）
　Ｖ１（ｎ）＝Ｖ１Ｃｏｓ（θ＋α）        　（８）
　Ｖ２（ｎ）＝Ｖ２Ｃｏｓ（２（θ＋α））　  （９）
　Ｅ２＝２（１＋ｌ／（２）1/2　）πＵ０／Ｌ （１０）
　Ｂｌ＝Ｅｌ／ｖ　　　　　　　　　　　 　　 （１１）
　ＮＴ＝Ｃ１Ｂ１ｓ／（μπ）．　　　　      （１２）
　ＮＴ（ｎ）＝ＮＴＳｉｎ（θ＋α）　        （１３）
　このようにして４極子電場を重畳することによって、Ｙ方向にフォーカスを作り、スピン回転器を出るビームの非点を取り去ることができる。図８（ａ）にＺ＝８０ｍｍと図８（ｂ）にＺ＝０でのビーム形状を示す。また、図９には、ＺＸ面とＺＹ面の電子軌道を示す。ただし、この場合、実際には
　　Ｖ（ｎ）＝Ｖｌ（ｎ）＋ＣＶ２（ｎ）
として、係数Ｃを掛けた値を入れてある。図８の場合、Ｃ＝０．８７５であった。なぜ、計算値より加える４極場の値が少なくてよいかという理由は、フリンジ場の作用にある。
　上の説明では、一様場を用いた場合、Ｙ方向のフォーカスがないと述べたが、実際には少しだけフォーカス作用がある。それはフリンジ場の作用で、フリンジ場はラウンドレンズ作用を持つことが知られている。このため、Ｙ方向には１２．５％分のレンズ作用がすでにあったということである。実際、フィルタ長を短くするほど、割合としてラウンドレンズの作用が大きくなるので、この係数の値は小さくなる。
　図１０は、本発明のスピーン回転説明図（その９）を示す。この図１０は、ウィーン型全方位スピン回転器の前段の入射用レンズ（回転器の中心（レンズ中心）にフォーカスさせるレンズ）と後段のコンデンサレンズ（回転器の中心（レンズ中心）を試料などの被照射面にフォーカスさせるレンズ）を含む照射レンズ系を示す。ここでは後段のコンデンサレンズは一段しか示していないが、もう一段追加すれば幅広い照射面積をコントロールできる照射レンズ系にすることができる。
　４極子電場を加えて非点なしフォーカスを行った場合にはＹ方向にフォーカス作用を持たせるために４極子電場を加えるのであるが、４極子はフォーカスする方向（Ｙ）と逆方向（Ｘ）には発散作用がある。このため上に示した式からわかるように、フォーカスアンペアターンは√（２）倍に増大する。この場合スピン回転角にどのような影響があるだろうか。磁場偏向器の場合、非点なしフォーカスをする回転角は２５４°に増加する。従って、スピンを９０°回転させる条件を見つけるには、４極子電場を付加していない時の平行ビーム入射でフォーカスさせる条件を探さなければならない。
　次に、実際の装置に必要な事柄について説明する。
　［超高真空対策］
　図１１は、本発明のスピン回転説明図（その１０）を示す。この図１１は、本発明のウィーンフィルタの例である。スピン回転器として使用するウィーンフィルタは超高真空中で使われることが多いため、図１で説明したように、磁場発生のためのコイルを真空の外に出すことが求められる。図１１に示した例では各極を２つに分割し、内側と外側の極の間に真空容器２としてのパイプ（非磁性）を入れる構造としている。もちろん、内側の各極１と真空パイプの間には絶縁体を置いて、内側の各極１が電気的には絶縁されている必要がある。ただ、この構造の欠点は、真空容器が金属製となるため、多極子電場は真空容器より内側だけの構成となるのに対し、磁場コイルは真空パイプの外の極３に巻かれるので、多極子磁場は真空容器の外にまで伸びており、電場と磁場を構成する各極の長さが異なることである。しかし、真空容器が電場・磁場を作る空間・ギャップの直径の４倍以上を取ればこの電極と磁極の長さの違いは実用的には問題とならないことを見出した。
　図６（ａ）、図９（ａ）は、ＸＺ面の電子軌道を示す図であるが、電極と磁極の形の違いによって、ウィーン条件が成立しなくなった場合には、この軌道が途中で折れ曲がってまっすぐな光軸を構成しなくなるのであるが、ここに示したように、光軸はまっすぐなままなので、電極と磁極の長さの違いの問題は克服されていることが判明した。
　［初期状態でスピンの向きがビーム進行方向に垂直な面内の場合］
　今まではスピンの向きが電子ビームの進行方向Ｚに対して平行なビームを９０°偏向し、その時にビーム進行方向に垂直なＸＹ面内のどの方向にスピンを倒すかを自由に選ぶことのできる装置について述べてきた。
　しかしながら、真空中にスピン偏極した電子を放出するのはこのような場合に限られるのではなく、ＸＹ面内の特定の方向を向いたビームが放出される場合もある。このような場合に、スピンの向きがＺ方向を向くように回転させることは、上で述べた方法で９０°偏向を行わせるだけでよい。このときはＸＹ面内での角度を気にすることは必要ないので、ＸＹ面の角度の指定はいかなる値でも良い。
　ここでは、ＸＹ面内をスピンが向いている場合に、最初のスピンの向きと異なる向きにＸＹ面内で回転させたい場合について考えてみよう。この場合は、上で述べたスピンの９０°回転の電場・磁場の値に対してその倍の値即ち、１８０°スピンを回転させるように設定する。ＸＹ面内でのスピンの角度は最終的に向けたい角度の場合に対応するようにそれぞれの８極子の電場・磁場を設定する。このようにすると、スピンは最初の半分で９０°回転してＺ方向を向く。あとの半分は上で述べたＺ方向からＺＹ面内にスピンが再び向くが、このときのＸＹ面内での角度が指定した角度方向を向くことになる。
　このように、最初にスピンの向きがＺ方向の場合は９０°回転、最初がＸＹ面内の場合は１８０°回転の設定をすることによって、両者の場合に対応させることが出来る。もちろん、途中の角度の場合はそれらの中間の値に設定すればよいので、どのような方向を向いたスピンにも対応させることが出来る。
本発明のウィーンフィルタ例である。 本発明のスピン回転説明図（その１）である。 本発明のスピン回転説明図（その２）である。 本発明のスピン回転説明図（その３）である。 本発明のスピン回転説明図（その４）である。 本発明のスピン回転説明図（その５）である。 本発明のスピン回転説明図（その６）である。 本発明のスピン回転説明図（その７）である。 本発明のスピン回転説明図（その８）である。 本発明のスピン回転説明図（その９）である。 本発明のスピン回転説明図（その１０）である。 従来技術の説明図（その１）である。 従来技術の説明図（その２）である。 従来技術の説明図（その３）である。 従来技術の説明図（その４）である。 従来技術の説明図（その５）である。
１：極（電極／磁極）
２：真空容器（ヨーク）
３：磁極
４：ヨーク

Claims (7)

  1. 　電子銃あるいは試料から、放出あるいは反射あるいは透過されたスピン偏極した電子線を任意の方向に回転させるスピン回転装置において、
    　前記電子銃から放出、あるいは試料から放出または反射されたスピン偏極した電子線をフォーカスさせる第１のコンデンサレンズと、
    　前記第１のコンデンサレンズで前記電子線がフォーカスされた点がレンズ中心あるいはレンズ中心付近であって、かつ電場および磁場を発生可能な多極子を有するスピン回転器と、
    　前記スピン回転器を構成する多極子に、指定された角度だけ前記電子線のスピンを回転させかつ電子線を直進させるウィーン条件を満たす下式で表される電圧および電流を印加するウィーン条件発生手段と、
    　前記スピン回転器でスピンの回転された電子線をフォーカスする第２のコンデンサレンズと
    を備えたことを特徴とするスピン回転装置。
    　　Ｖ１（ｎ）＝Ｖ１Ｃｏｓ（θ０＋ｎθ＋α）
    　　Ｎ１（ｎ）＝Ｎ１Ｓｉｎ（θ０＋ｎθ＋α）
    　ここで、ｎは極の番号、Ｖ１（ｎ）とＮ１（ｎ）はｎ番目の極の電圧と電流、Ｖ１とＮ１はウィーン条件を満たす一様場の電圧と電流、θ０は１番目の極の水平方向からの角度、θは多極子の数によって決まる角度であって３６０°／極数、αはスピンの向きをそれぞれ表す。
  2. 　前記多極子が４の整数倍としたことを特徴とする請求項１記載のスピン回転装置。
  3. 　前記多極子に、非点を補正する４極子の電場および磁場のうちの１つ以上を供給したことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載のスピン回転装置。
  4. 　前記多極子を構成する磁場の極を、内側と外側に分離してその間に耐真空用の隔壁を設けて外側の極にコイルを巻いたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のスピン回転装置。
  5. 　請求項４において、前記耐真空用の隔壁の内側の極の長さを、電子線が通過する中心部の円の直径の４倍以上の長さにして、電極と磁極との形状違いによるウィーン条件の違いを低減したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のスピン回転装置。
  6. 　前記電子線のスピンの向きを、当該電子線の進行方向Ｚと直角方向のＸＹ面に偏向、およびＸＹ面内で任意の向きに偏向することを特徴する請求項１から請求項５のいずれかに記載のスピン回転装置。
  7. 　前記試料を、磁性体試料あるいはトポロジカル絶縁体としたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のスピン回転装置。
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