[发明专利]一种图像型电子自旋分析器

说明书

本发明提供一种图像型电子自旋分析器，包括：电子光学系统、散射靶和二维图像型电子探测器；所述电子光学系统包括非轴对称透镜群和磁场，非轴对称透镜群与磁场相配合使入射电子与出射电子的运动轨道相分离以增加自旋分析器各部件几何配置的自由度，将入射电子偏转并成像至与所述反射靶相对应的特定平面处，并将由所述散射靶散射后的电子成像在所述二维图像型电子探测器上形成二维电子强度图像，从而实现电子自旋的多通道测量；非轴对称透镜的引入可以补偿磁场电子光学特性在垂直及平行磁场方向的非对称性、减小光学系统的像差、并使电子光学系统的调试更为简单。

技术领域

本发明涉及电子自旋分析领域，特别是涉及一种图像型电子自旋分析器。

背景技术

目前，对电子自旋进行测量的分析器主要有Mott型、Spin-LEED型、及VLEED型分析器。其中，Mott型分析器的测量方式是：先将电子加速到20-100KeV的动能，然后使电子在具有高自旋-轨道相互作用材料(通常由高原子序数元素构成)靶上散射，通过测量散射电子强度的不对称性来测量入射电子的自旋；Spin-LEED分析器是通过测量电子在具有高自旋-轨道相互作用材料(如钨、铱、铂、拓扑绝缘体等)单晶表面衍射斑点强度的非对称性来测量电子的自旋；VLEED是最近发展的新分析器，其测量方式是：首先将电子动能加(减)速到6eV，然后分别测量电子在+Z及-Z方向磁化的铁磁性靶上的反射率，通过测量此两反射率的相对差异来测量入射电子在Z方向的自旋。VLEED是目前测量效率最高的电子自旋分析器。

如图1所示为现有的单通道VLEED分析器的电子自旋测量原理示意图。初始电子平面11上a点处的入射电子经过电子透镜12后入射至散射靶13，由该散射靶13散射后经过电子透镜14到达电子探测器15的A点。同样，初始电子平面11上b点处的入射电子经过类似的路径到达电子探测器的B点。若入射电子垂直入射至散射靶13，则经过散射靶13弹性散射后的出射电子也垂直散射靶13，出射电子和入射电子路径相同，电子探测器会遮断入射电子束，故经典的VLEED自旋分析器采用使入射电子斜射至散射靶13。由于VLEED的测量效率随着入射角(即电子束与散射靶法线间的夹角)的加大而下降，故需要选取较小的入射角，而考虑到电子透镜12和电子透镜14的尺寸等因素，入射角不能过小，因此通常将入射角选取为7°。由于入射角不为零，入射电子轨道和出射电子轨道不同，入射电子和出射电子不能采用同一电子透镜。为了获得较小的入射角，电子光学透镜12和14的尺寸较小，导致出现较大的像差，也就是来自a点的各入射电子在电子探测器上会形成以A点为中心的较大束斑，同样，来自b点的各入射电子在电子探测器上会形成以B点为中心的较大束斑，由于束斑较大，导致以A点为中心的束斑与以B点为中心的束斑会部分重叠，因此，经典的VLEED分析器无法区分入射电子的来源位置，也就是说，无法区分入射电子是来自a点还是来自b点。该种无法区分入射电子的来源位置的电子自旋分析器被称为单通道电子自旋分析器；能将入射电子的来源位置进行区分的分析器被称为多通道分析器或图像型分析器。目前运行的电子自旋分析器几乎都是单通道的。为了提高电子自旋测量的效率，实现电子自旋的多通道测量一直是科研技术人员关注的焦点。

现今报道的多通道电子自旋分析器有两种。一种是由德国的Kirschner研究组创制的Spin-LEED图像型自旋分析器。该分析器的入射电子以45°入射角入射至W(100)靶，入射电子束与散射电子束形成90°的夹角，由于入射电子在该W(100)靶背面形成的虚像面及电子探测器平面均与电子光学轴相垂直，故电子光学系统具有较小的像差，可以区分入射电子的来源位置。但是，spin-LEED分析器进行电子自旋测量是基于自旋-轨道相互作用，其效率仅为基于强相关联相互作用的VLEED分析器的百分之一。另一种为本申请人发明的VLEED型多通道电子自旋分析器，已经获得中国专利授权(专利号201310313572)。该发明引入磁场实现了入射电子与出射电子运动轨迹的分离，从而实现了高效率的VLEED型多通道电子自旋测量，并采用辅助磁场去除主磁场在沿磁场方向及垂直磁场方向电子光学的非对称性，但是，主辅两个磁场的构筑及调试较为困难，从而不能实现极小的像差，也不利于应用推广。

发明内容