スピン反転装置、スピン反転評価システム及びスピン反転方法
【課題】コイル位置や磁場の調整を行うことない偏極ビームのスピン反転方法及びスピン反転装置を提供する。
【解決手段】空間部３１ｅに連通された開口部３１ｃ、３１ｄを備え、開口部３１ｃから入射させたスピンを有する粒子からなるビームを、開口部３１ｄから出射可能なスピン反転装置であって、開口部３１ｃ、３１ｄで、通過する粒子に次式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きる磁場を印加可能であるスピン反転装置３１を用いる。断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差の場合、[数１]
断熱ポテンシャルがＲｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒ型非交差の場合、[数２]
【解決手段】空間部３１ｅに連通された開口部３１ｃ、３１ｄを備え、開口部３１ｃから入射させたスピンを有する粒子からなるビームを、開口部３１ｄから出射可能なスピン反転装置であって、開口部３１ｃ、３１ｄで、通過する粒子に次式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きる磁場を印加可能であるスピン反転装置３１を用いる。断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差の場合、[数１]
断熱ポテンシャルがＲｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒ型非交差の場合、[数２]
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン反転装置、スピン反転評価システム及びスピン反転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、０以外のスピン量子数を有する粒子からなるビームで、スピンの分布が偏ったビーム（以下、偏極ビームともいう）を、試料に照射して得られる信号を分析することで、物性を評価する計測方法が注目されている。例えば、スピン偏極率の大きな偏極ビームを試料に照射する。そして、試料からの信号を分析する。
【０００３】
ビームのスピン偏極率とは、そのビームを構成する粒子のスピンの偏りの指標である。例えば、質量数４のヘリウムの１価の正イオン（４Ｈｅ＋）の場合、１個の電子を持つので、４Ｈｅ＋はこの電子のスピンに起因する磁気モーメントを持つ。４Ｈｅ＋の電子のスピンは、上向きと下向きの２種類があるので、４Ｈｅ＋のスピン量子数は、１／２または−１／２である。それぞれのスピンを持つ４Ｈｅ＋の個数をｎ↑とｎ↓とすれば、スピン偏極率は（ｎ↑−ｎ↓）／（ｎ↑＋ｎ↓）で定義される。しばしば、これに１００を乗じて、％単位で表示される。
【０００４】
スピンが関与する物性を偏極ビームを用いて観測する際に、偏極ビームの極性を反転することで信号のスピン依存性（スピン非対称性）を検出する測定がしばしば行われる。
そのため、偏極ビームによる物性測定には、偏極ビームの極性を効率よく反転することの出来るスピン反転装置が必要とされている。これまでのスピン反転装置では、急峻な磁場反転におけるスピン非断熱遷移がしばしば利用されてきた。そして、これを実現するには、２個の縦置きソレノイドコイルとこれに垂直な磁場を発生する１個の横置きコイルの組み合わせが必要とされていた。
しかし、この従来の方法では複数のコイルを使用するため、コイル位置や磁場の調整が煩雑であり、これが従来技術の課題であった。
【０００５】
スピン非断熱遷移とは、急激に変化する外場中において原子核の位置が変化したとすると、スピンは断熱ポテンシャルに追随できず、その結果としてある確率で起こる状態遷移のことである。この非断熱遷移は、しばしば断熱ポテンシャルの擬交差で起こる。
この非断熱遷移は、核座標の変化が早いほど遷移確率は大きく、擬交差での断熱ポテンシャルのエネルギー差が小さいほど遷移確率は大きく、擬交差をしている二つの断熱ポテンシャルの傾きの差が小さいほど遷移確率は大きくなる。
【０００６】
スピン反転方法に関する技術としては、非特許文献１〜７に開示されている。例えば、非特許文献１〜３には、従来技術であるスピン非断熱遷移を利用したスピン反転方法とその装置が開示されている。また、非特許文献４，５には、原子と中性子のスピン非断熱遷移が開示されている。また、非特許文献６，７には、準安定水素原子の不均一磁場におけるスピンの挙動が開示されている。更にまた、非特許文献８には、スピン非断熱遷移間の量子力学的干渉であるＳｔｕｃｋｅｌｂｅｒｇ振動が開示されている。さらにまた、非特許文献９には、偏極準安定ヘリウム原子（２３Ｓ１，１ｓ２ｓ）ビームと偏極ヘリウムイオン（４Ｈｅ＋）ビームとの間で放出電子スペクトルを比較することにより、偏極４Ｈｅ＋ビームの偏極率を求める方法が開示されている。
しかし、これらの方法を用いても、前記課題を解消することはできなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】応用物理７４（２００５）１３４５、山内泰、倉橋光紀、鈴木拓
【非特許文献２】Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｅ １６（１９８３）５２，Ｗ．Ｓｃｈｒｏｄｅｒ，Ｇ．Ｂａｕｍ
【非特許文献３】Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２２（１９８３）１００９，Ｓ．Ｕｒａｂｅ，Ｙ．Ｏｈｔａ
【非特許文献４】Ｎｕｏｖｏ Ｃｉｍｅｎｔｏ ９（１９４５）４５，Ｅ．Ｍａｊｏｒａｎａ
【非特許文献５】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ，Ｊ．Ｓｃｈｗｉｎｇｅｒ，５１（１９３７）６４８．
【非特許文献６】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ１７（１９７８）５６１，Ｒ．Ｄ．Ｈｉｇｈｔ，Ｔ．Ｒｏｂｉｓｃｏｅ．
【非特許文献７】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ２３（１９８１）１２３４，Ｆ．Ｇａｒｉｓｔｏ，Ｂ．Ｃ．Ｓａｎｃｔｕａｒｙ．
【非特許文献８】Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｐｏｒｔｓ ４９２（２０１０）１，Ｓ．Ｎ．Ｓｈｅｖｃｈｅｎｋｏ，Ｓ．Ａｓｈｈａｂ，Ｆ．Ｎｏｒｉ
【非特許文献９】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ７７（２００８）０２２９０２，Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｙ．Ｙａｍａｕｃｈｉ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転評価システム及びスピン反転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、スピン非断熱遷移間の量子力学的干渉を利用することで、１個のソレノイドコイルのみで、高効率のスピン反転が可能であることに想到して、本発明を完成した。具体的には、本発明は、スピン反転に２回の非断熱遷移の間で生ずる量子力学的干渉を利用する。この量子力学的干渉は、しばしばＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ−Ｓｔｕｃｋｅｌｂｅｒｇ干渉と呼ばれるものである。
本発明は、以下の構成を有する。
【００１０】
本発明のスピン反転装置は、空間部と、前記空間部に連通された２つの開口部を備え、前記２つの開口部の一方から前記空間部内に入射させたスピンを有する粒子からなるビームを、前記開口部の他方から外部に出射可能なスピン反転装置であって、前記開口部で、それぞれ通過する粒子に次式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加可能であることを特徴とする。
【００１１】
断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差を持つ場合、この交差における非断熱遷移確率は、式（１）で与えられる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
一方、断熱ポテンシャルが非交差型の場合の非断熱遷移確率は、Ｒｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒモデルによって、式（２）で与えられる。
【００１４】
【数２】
【００１５】
式（１）で、ｐは非断熱遷移確率、Ｈ１２は擬交差における断熱ポテンシャル曲線の間隔の１／２、Ｒｘは擬交差の位置、ｈはプランク定数、ｖは粒子の速度、ε１とε２は断熱ポテンシャル、Ｒは位置、μＢはボーア磁子、ｇはｇ因子、Ｈは磁場である。式（２）で、Δは透熱状態のエネルギー差、βは透熱結合の指数部の係数である。
【００１６】
本発明のスピン反転装置は、前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされていることが好ましい。
【００１７】
本発明のスピン反転装置は、前記粒子が、イオン、原子又は中性子のいずれかであることが好ましい。
【００１８】
本発明のスピン反転装置は、一本の導線を渦巻状としたコイルからなり、前記コイルの一端側の環状部に囲まれた部分が前記２つの開口部の一方とされ、前記コイルの他端側の環状部に囲まれた部分が前記２つの開口部の他方とされていることが好ましい。
【００１９】
本発明のスピン反転装置は、前記導線の太さが１〜３０ｍｍであり、前記コイルの環状部の直径が１０〜１００ｍｍであり、前記コイルの一端側から他端側までの長さが１０〜５００ｍｍであり、前記コイルの巻き数が３〜１００回であることが好ましい。
【００２０】
本発明のスピン反転装置は、一端側と他端側が異なる極性とされた筒状の磁石からなり、前記磁石の一端側の孔部が前記２つの開口部の一方とされ、前記磁石の他端側の孔部が前記２つの開口部の他方とされていることが好ましい。
【００２１】
本発明のスピン反転評価システムは、スピンを有する粒子を発生可能なスピン粒子発生源と、前記スピン粒子発生源に接続され、空洞部を有するビームライン部と、前記ビームライン部に接続された超高真空槽部とを備え、前記スピン粒子発生源で発生させた粒子を、前記空洞部内を通過させてから、前記超高真空槽部内で分析可能なスピン反転評価システムであって、先に記載のスピン反転装置が、前記ビームライン部に取り付けられていることを特徴とする。
【００２２】
本発明のスピン反転方法は、粒子のスピンを反転させるスピン反転方法であって、スピンを有する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程と、前記粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を再度印加する工程と、を有することを特徴とする。
断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差を持つ場合、この交差における非断熱遷移確率は、式（１）で与えられる。
【００２３】
【数３】
【００２４】
一方、断熱ポテンシャルが非交差型の場合の非断熱遷移確率は、Ｒｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒモデルによって、式（２）で与えられる。
【００２５】
【数４】
【００２６】
式（１）で、ｐは非断熱遷移確率、Ｈ１２は擬交差における断熱ポテンシャル曲線の間隔の１／２、Ｒｘは擬交差の位置、ｈはプランク定数、ｖは粒子の速度、ε１とε２は断熱ポテンシャル、Ｒは位置、μＢはボーア磁子、ｇはｇ因子、Ｈは磁場である。式（２）で、Δは透熱状態のエネルギー差、βは透熱結合の指数部の係数である。
【００２７】
本発明のスピン反転方法は、前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のスピン反転装置は、空間部と、前記空間部に連通された２つの開口部を備え、前記２つの開口部の一方から前記空間部内に入射させたスピンを有する粒子からなるビームを、前記開口部の他方から外部に出射可能なスピン反転装置であって、前記開口部で、それぞれ通過する粒子に式（１）、（２）で表される非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加可能である構成なので、２つの開口部で、それぞれ通過する粒子のスピンに対して非断熱遷移を起こし、さらに２つの開口部間でこの非断熱遷移の量子力学的干渉を生じせしめ、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、通過する粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００２９】
本発明のスピン反転評価システムは、スピンを有する粒子を発生可能なスピン粒子発生源と、前記スピン粒子発生源に接続され、空洞部を有するビームライン部と、前記ビームライン部に接続された超高真空槽部とを備え、前記スピン粒子発生源で発生させた粒子を、前記空洞部内を通過させてから、前記超高真空槽部内で分析可能なスピン反転評価システムであって、先に記載のスピン反転装置が、前記ビームライン部に取り付けられている構成なので、スピン反転装置によって高効率にスピンが反転されたビームの偏極率を正確に調べるための、スピン反転評価システムを提供することが出来る。
【００３０】
本発明のスピン反転方法は、粒子のスピンを反転させるスピン反転方法であって、スピンを有する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程と、前記粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を再度印加する工程と、を有する構成なので、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のスピン反転評価システムの一例を示す概略図である。
【図２】本発明のスピン反転装置の一例を示す概略図である。
【図３】本発明のスピン反転方法の一例を説明する概略図である。
【図４】本発明のスピン反転方法の一例を示すフローチャート図である。
【図５】本発明のスピン反転原理を説明する概略図である。
【図６】本発明のスピン反転装置の別の一例を示す概略図である。
【図７】本発明のスピン制御用ソレノイドコイルに１Ａを通電する際に発生する軸方向の磁場と磁場勾配をソレノイドコイル中心からの距離の関数として計算結果の一例を示すグラフである。
【図８】本発明のスピン制御用ソレノイドコイルの発生する磁場の関数として測定したＨｅ＋イオンビームの偏極率の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（本発明の実施形態）
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態であるスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムについて説明する。
【００３３】
＜スピン反転評価システム＞
まず、本発明の実施形態であるスピン反転評価システムについて説明する。
図１は、本発明の実施形態であるスピン反転評価システムの一例を示す概略図である。
図１に示すように、スピン反転評価システム３２は、全体を取り囲むように配置された磁場補正用３軸コイル１２と、スピン粒子発生源（偏極Ｈｅ＋イオン源）２１と、ビームライン部２２と、超高真空槽部２３と、を備えて、概略構成されている。
【００３４】
スピン粒子発生源２１は、スピンを有する粒子を発生可能な装置である。図１では、スピン粒子発生源２１として偏極４Ｈｅ＋イオン源を用いた例を示しており、ガス導入口２と、ガス排気口３とが備えられたＲＦ放電管１から構成されている。このＲＦ放電管１内の所定の位置に、光ポンピング照射光４、５を照射可能とされている。
【００３５】
なお、本実施形態では、スピンを有する粒子として、電子スピンが偏極したヘリウムの１価の正イオン（４Ｈｅ＋）を用いたが、量子力学的干渉を生じさせる粒子であれば、これに限られるものではなく、４Ｈｅ＋イオン以外のイオン、原子、中性子を用いても良い。
なお、この量子力学的干渉は、実施例で示す４Ｈｅ＋イオンのみならず、他のイオン種や原子、さらには中性子においても起こることは既に知られている（非特許文献８）。
【００３６】
スピン粒子の発生は、例えば、次のような工程で行う。
まず、ＲＦ放電管１に、ヘリウムガスをガス導入口２から導入するとともに、ガス排気口３から排気を行い、ＲＦ放電管１中のヘリウム圧力が約２０Ｐａとなるように調整する。
次に、ＲＦ出力を３Ｗとして、ＲＦ放電管１内にヘリウムプラズマを発生させる。
次に、ＲＦ放電管１内に発生させたヘリウムプラズマに、直線偏光の光ポンピング照射光４と円偏光の光ポンピング照射光５を照射して、偏極４Ｈｅ＋イオンを発生させる。
なお、光ポンピングの波長は１０８３ｎｍＤ０線に調整する。偏極４Ｈｅ＋イオンのスピンの向き（上向き、又は下向き）は、円偏光の光ポンピング照射光５のヘリシティで制御する。また、光ポンピングの照射光密度は、たとえば、約０．１Ｗ／ｃｍ２とする。
【００３７】
ビームライン部２２は、ビームライン排気口７、８が接合された筒状のビームライン本体部６から構成されている。
ＲＦ放電管１で発生させたスピン偏極４Ｈｅ＋は、ビームライン本体部６の筒内を通過して、超高真空槽１１の中に設置した静電エネルギー分析器を有するスピン検出器（以下、スピン偏極率分析器ともいう）まで輸送される。
なお、ビームライン本体部６中の残留ガスは、ビームライン排気口７、８から排気される。
【００３８】
超高真空槽部２３は、超高真空槽１１と、標的マニュピュレータ１０と有している。超高真空槽１１内には、Ｆｅ（１００）標的と静電エネルギー分析器が備えられており、標的マニュピュレータ１０は前記Ｆｅ（１００）標的の位置・角度を調節するマニュピュレータである。
【００３９】
図１に示すように、ビームライン本体部６の超高真空槽部２３側には、本発明の実施形態であるスピン反転装置３１（コイル９）が巻き付けられている。これにより、スピン反転装置３１（コイル９）が発生する磁場と偏極４Ｈｅ＋イオンビームの偏極率との関係を調べることが可能となる。
【００４０】
＜スピン反転装置＞
次に、本発明の実施形態であるスピン反転装置について説明する。
図２は、本発明の実施形態であるスピン反転装置３１の一例を示す模式図であって、図２（ａ）は斜視図であり、図２（ｂ）はＡ方向から見た側面図である。
図１、２に示すように、本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、コイル９である。具体的には、スピン制御用ソレノイドコイルである。
【００４１】
図２に示すように、スピン反転装置３１は、一本の導線を渦巻状としたコイル９からなり、コイル９の一端９ａ側の環状部９ｃに囲まれた部分が開口部３１ｃとされ、コイル９の他端９ｂ側の環状部９ｄに囲まれた部分が開口部３１ｄとされている。
また、開口部３１ｃと開口部３１ｄの間のコイル９に取り囲まれた部分は空間部３１ｅとされている。空間部３１ｅは、導線の隙間からコイル９の外部空間と連通されているとともに、開口部３１ｃ、３１ｄで外部空間と連通されている。
【００４２】
コイル９に電流を流すことにより、空間部３１ｅの軸方向に平行な磁場を形成することができる。これにより、空間部３１ｅ内を、イオンを有する粒子を通過させたときに、開口部３１ｃ、３１ｄで、後述するスピン反転方法で示す式（１）、（２）で表される非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加することができる。磁場の大きさは、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となるように調整することがより望ましい。
【００４３】
前記導線の太さは０．５〜３０ｍｍとすることが好ましく、０．５〜１５ｍｍとすることがより好ましい。０．５ｍｍ未満及び３０ｍｍ超では、高効率のスピン反転に必要なコイル９の空間部３１ｅにおける均一磁場を形成することが困難となる。
また、コイル９の環状部の直径が１０〜１００ｍｍとすることが好ましく、２０〜８０ｍｍとすることがより好ましい。１０ｍｍ未満及び１００ｍｍ超では、所定の磁場を形成することが困難となる。
コイル９の開口部３１ｃ、３１ｄでおこるスピン非断熱遷移の間の量子力学的干渉を利用するには、開口部３１ｃと３１ｄが適切な間隔である必要がある。この理由から、コイルの一端側から他端側までの長さが１０〜５００ｍｍとすることが好ましく、２０〜８０ｍｍとすることがより好ましい。１０ｍｍ未満及び１００ｍｍ超では、高効率のスピン反転は困難となる。
更に、コイル９の巻き数は３〜１００回であることが好ましく、５〜８０回とすることがより好ましい。３回未満及び１００回超では、所定の磁場を形成することが困難となる。
【００４４】
＜スピン反転方法＞
次に、本発明の実施形態であるスピン反転方法について説明する。
図３は、スピン反転評価方法の一例を説明する概略図である。
図３に示すように、まず、ＲＦ放電管１から発射された粒子は、矢印ｙの方向に進み、スピン反転装置３１の空間部３１ｅ内を通過する。
次に、超高真空槽１１内のスピン偏極率分析器１７によってスピン反転評価が行われる。すなわち、粒子はＦｅ（１００）標的１５で散乱された後、静電エネルギー分析器１６の穴部１６ｃから、静電エネルギー分析器１６の内部に取り込まれてスピン反転評価が行われる。
【００４５】
Ｆｅ（１００）標的１５としては、例えば、ＭｇＯ（１００）単結晶基板の上にエピタキシャル成長させたＦｅ単結晶薄膜を利用することができる。Ｆｅ（１００）標的１５は、測定前にあらかじめ超高真空中で容易磁化軸方向に磁化しておくことが好ましく、この容易磁化軸が鉛直方向と平行になるようにＦｅ（１００）標的の位置を調整することが好ましい。これにより、スピン反転の測定精度を向上させることができる。
【００４６】
スピン偏極率分析器１７からの信号は、コンピュータに取り込まれ、データ処理が行われる。データ処理は次のように行う。
まず、４Ｈｅ＋イオンビームのビームの偏極率ＰＨｅ＋を、（ｎ↑−ｎ↓）／（ｎ↑＋ｎ↓）と定義する。ここで、ｎ↑とｎ↓はそれぞれ、上向きと下向きのスピンを持つ４Ｈｅ＋イオンの個数である。
【００４７】
また、４Ｈｅ＋イオンビームの偏極率ＰＨｅ＋は、例えば、次のように測定する。
まず、上向きに偏極したＨｅ＋の弾性散乱強度Ｉ↑を測定する。
次に、下向きに偏極したＨｅ＋の弾性散乱強度Ｉ↓を測定する。
そして、ＰＨｅ＋＝（Ｉ↑−Ｉ↓）／［Ｐａ（Ｉ↑＋Ｉ↓）］として、ＰＨｅ＋を評価する。ただし、Ｐａは比例定数である。
【００４８】
このＰａは別途、偏極準安定ヘリウム原子（２３Ｓ１， １ｓ２ｓ）との間で放出電子スペクトルを比較する方法で評価する（非特許文献９）。
このＰＨｅ＋測定の際、入射角、出射角、散乱角をそれぞれ０°、３０°、１５０°となるように、Ｆｅ（１００）標的１５と静電エネルギー分析器１６の位置を調整する。ただし、入射角と出射角は、それぞれＦｅ（１００）標的１５の表面の法線方向と入射方向及び出射方向がなす角度である。
【００４９】
スピン非断熱繊維は、粒子がスピン反転装置３１に入射されるとき及び粒子がスピン反転装置３１から出射されるときに起こる。
図４は、本発明の実施形態であるスピン反転方法の一例を示すフローチャート図である。
図４に示すように、本発明の実施形態であるスピン反転方法は、第１の磁場印加工程Ｓ１と、粒子通過工程Ｓ２と、第２の磁場印加工程Ｓ３とからなる。
第１の磁場印加工程Ｓ１が、スピンを有する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程であり、第２の磁場印加工程Ｓ３が、前記粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を再度印加する工程である。
【００５０】
｛第１の磁場印加工程Ｓ１｝
第１の磁場印加工程Ｓ１は、スピンを有する粒子を、スピン反転装置３１の開口部３１ｃに外部から入射する際に、通過する粒子に次式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が５０％の確率で起きるための条件を満たす磁場を印加する工程である。
【００５１】
｛粒子通過工程Ｓ２｝
粒子通過工程Ｓ２は、スピン反転装置３１の空間部３１ｅ内を、開口部３１ｃから開口部３１ｄに向けて前記粒子を通過させる工程である。
【００５２】
｛第２の磁場印加工程Ｓ３｝
第２の磁場印加工程Ｓ３は、スピン反転装置３１の２つの開口部３１ｄから外部に出射する際に、通過する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程Ｓ３である。
【００５３】
図５は、本発明の実施形態であるスピン反転原理を説明する概略図であって、図５（ａ）は磁場形成模式図であり、図５（ｂ）は磁場により形成されるエネルギー図である。
本発明の実施形態であるスピン反転装置では、コイル９に電流を流すことにより、２つの開口部３１ｃ、３１ｄで、それぞれ通過する粒子は、次式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場が印加される。
【００５４】
断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差を持つ場合、この交差における非断熱遷移確率は、式（１）で与えられる。
【００５５】
【数５】
【００５６】
一方、断熱ポテンシャルが非交差型の場合の非断熱遷移確率は、Ｒｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒモデルによって、式（２）で与えられる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
式（１）で、ｐは非断熱遷移確率、Ｈ１２は擬交差における断熱ポテンシャル曲線の間隔の１／２、Ｒｘは擬交差の位置、ｈはプランク定数、ｖは粒子の速度、ε１とε２は断熱ポテンシャル、Ｒは位置、μＢはボーア磁子、ｇはｇ因子、Ｈは磁場である。式（２）で、Δは透熱状態のエネルギー差、βは透熱結合の係数である。
例えば、偏極４Ｈｅ＋イオン源２１から超高真空槽１１までの磁場が、鉛直方向に平行でその大きさが約３×１０−５Ｔとなるように調整可能とされる。
【００５９】
これにより、図５（ａ）に示すように、一方の開口部３１ｃから他方の開口部３１ｄへ向かう方向であって、空間部３１ｅの軸方向（ｙ軸方向）に平行な方向に磁場Ｈが形成される。これにより、空間部３１ｅの軸方向（ｙ軸方向）に平行な方向に図５（ｂ）に示すエネルギーＥｙが形成される。スピン反転装置３１内を通過する粒子は、図５（ｂ）に示すエネルギーＥｙに支配される。
エネルギーＥｙは磁場Ｈに比例するゼーマンエネルギーであり、開口部３１ｃのｙ軸上の位置ｙ０及び開口部３１ｄのｙ軸上の位置ｙ１でそれぞれ、その変化は最大となる。
【００６０】
開口部３１ｃのｙ軸上の位置ｙ０及び開口部３１ｄのｙ軸上の位置ｙ１でそれぞれ、Ｅｙの変化が最大となる場所において、スピン非断熱遷移の確率は最大となる。
例えば、ＲＦ放電管１でほぼ上向きのスピンだけからなる粒子ビーム（１００％、ＵＰ）を発生させても、開口部３１ｃのｙ軸上の位置ｙ０及び開口部３１ｄのｙ軸上の位置ｙ１で、Ｅｙの変化が最大となるので、スピン非断熱遷移が生じ、上のエネルギー状態の粒子の数（５０％、ＵＰ）と下のエネルギー状態の粒子の数（５０％、ＤＯＷＮ）がほとんど等しくなる。
【００６１】
つまり、この磁場Ｈを印加することにより、スピン非断熱遷移間の量子力学的干渉を利用することができ、１個のソレノイドコイルのみで、粒子の高効率のスピン反転が可能となる。
具体的には、２つの開口部で、それぞれ通過する粒子のスピンの非断熱遷移間の量子力学的干渉を生じせしめ、２回の非断熱遷移の間で生ずる量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、通過する粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができる。これにより、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６２】
＜本発明の第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態であるスピン反転装置について説明する。
図６は、本発明のスピン反転装置の別の一例を示す概略図であって、図６（ａ）は斜視図であり、図６（ｂ）は側面図である。
図６では、スピン反転装置３１が一端６１ａ側と他端６１ｂ側が異なる極性とされた筒状の磁石６１とされている。
磁石６１の一端６１ａ側の孔部６１ｃが２つの開口部３１ｃとされ、磁石６１の他端６１ｂ側の孔部６１ｄが２つの開口部３１ｄとされ、開口部３１ｃと開口部３１ｄとを連通する空間部３１ｅが設けられている。
【００６３】
このように、スピン反転装置３１はコイル９に限られるものではなく、何らかの方法で磁場を変化させてスピン非断熱遷移を誘起可能な装置であれば良い。この構成を備えることにより、スピン非断熱遷移の間の量子力学的干渉を生じさせることができ、その結果、高効率にスピンを反転させることができる。
【００６４】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、空間部３１ｅと、空間部３１ｅに連通された２つの開口部３１ｃ、３１ｄを備え、前記開口部３１ｃ、３１ｄの一方３１ｃから前記空間部３１ｅ内に入射さたスピンを有する粒子からなるビームを、前記開口部３１ｃ、３１ｄの他方３１ｄから外部に出射可能なスピン反転装置であって、前記２つの開口部３１ｃ、３１ｄで、それぞれ通過する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が５０％の確率で起きるための条件を満たす磁場を印加可能である構成なので、２つの開口部で、それぞれ通過する粒子のスピンに対して非断熱遷移を起こし、さらに２つの開口部間でこの非断熱遷移の量子力学的干渉を生じせしめ、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、通過する粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６５】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされている構成なので、２つの開口部で、それぞれ通過する粒子のスピンに対して非断熱遷移を起こし、さらに２つの開口部間でこの非断熱遷移の量子力学的干渉を生じせしめ、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、通過する粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６６】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、前記粒子が、イオン、原子又は中性子のいずれかである構成なので、イオン、原子又は中性子等の粒子のスピンを、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率で反転できるスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６７】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、一本の導線を渦巻状としたコイル９からなり、コイル９の一端９ａ側の環状部９ｃに囲まれた部分が前記２つの開口部の一方３１ｃとされ、コイル９の他端９ｂ側の環状部９ｄに囲まれた部分が前記２つの開口部の他方３１ｄとされている構成なので、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６８】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、前記導線の太さが１〜３０ｍｍであり、コイル９の環状部９ｃ、９ｄの直径が１０〜１００ｍｍであり、コイル９の一端９ａ側から他端９ｂ側までの長さが１０〜５００ｍｍであり、コイル９の巻き数が３〜１００回である構成なので、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６９】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、一端６１ａ側と他端６１ｂ側が異なる極性とされた筒状の磁石６１からなり、磁石６１の一端６１ａ側の孔部６１ｃが前記２つの開口部の一方３１ｃとされ、磁石６１の他端６１ｂ側の孔部６１ｄが前記２つの開口部の他方３１ｄとされている構成なので、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００７０】
本発明の実施形態であるスピン反転評価システム３２は、スピンを有する粒子を発生可能なスピン粒子発生源２１と、スピン粒子発生源２１に接続され、空洞部２２を有するビームライン部と、ビームライン部２２に接続された超高真空槽部２３とを備え、スピン粒子発生源２１で発生させた粒子を、前記空洞部内を通過させてから、超高真空槽部２３内で分析可能なスピン反転評価システムであって、スピン反転装置３１が、ビームライン部２２に取り付けられている構成なので、スピン反転装置によって高効率にスピンが反転されたビームの偏極率を正確に調べるための、スピン反転評価システムを提供することが出来る。
【００７１】
本発明の実施形態であるスピン反転方法は、粒子のスピンを反転させるスピン反転方法であって、スピンを有する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程Ｓ１、前記粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を再度印加する工程Ｓ３と、を有する構成なので、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００７２】
本発明の実施形態であるスピン反転方法は、前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされている構成なので、２つの開口部で、それぞれ通過する粒子のスピンに対して非断熱遷移を起こし、さらに２つの開口部間でこの非断熱遷移の量子力学的干渉を生じせしめ、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、通過する粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００７３】
本発明の実施形態であるスピン反転装置、スピン反転評価システム及びスピン反転方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００７４】
（実施例１）
図１、図２及び図３の装置（偏極４Ｈｅ＋イオン源、ビームライン部、スピン制御用ソレノイドコイル、スピン偏極率分析器を備えた超高真空槽部、磁場補正用３軸コイルを備えた装置）を用いて以下の実験を行った。
また、図３において、ＲＦ放電管からスピン制御用ソレノイドコイルまでの距離ｄ１は４０ｃｍとし、スピン制御用ソレノイドコイルの長さｄ２は５ｃｍとし、スピン制御用ソレノイドコイルからスピン偏極率分析器までの距離ｄ３は２８ｃｍとした。
また、スピン制御用ソレノイドコイルの直径は７ｃｍ、巻き数は２０回とした。
なお、装置全体を取り囲む磁場補正用３軸コイルを設置した。
【００７５】
まず、ＲＦ放電管にヘリウムガスをガス導入口から導入して、また、ＲＦ放電管からガス排気口を利用して、ヘリウムガスの排気を行い、ＲＦ放電管中のヘリウム圧力を、約２０Ｐａとなるように調整した。
次に、ＲＦ出力は、３Ｗとして、ヘリウムプラズマを発生させた。
次に、ＲＦ放電管に発生させたヘリウムプラズマに、直線偏光の光ポンピング照射光と円偏光の光ポンピング照射光を照射して、電子スピン偏極したヘリウムの１価の正イオン（４Ｈｅ＋）（以下、スピン偏極Ｈｅ＋イオン）を発生させた。
なお、光ポンピングの波長は１０８３ｎｍＤ０線に調整した。スピン偏極Ｈｅ＋イオンのスピンの向き（上向き、又は下向き）は、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティで制御した。また、光ポンピングの照射光密度は、約０．１Ｗ／ｃｍ２となるように調整した。
【００７６】
次に、スピン偏極Ｈｅ＋イオンからなるビーム（以下、スピン偏極Ｈｅ＋イオンビーム）を、ビームライン部を用いて超高真空槽まで輸送した。なお、ビームライン中の残留ガスは、ビームライン排気口から排気した。
次に、マニピュレータを操作して、超高真空槽に設置したＦｅ（１００）標的の位置を、Ｆｅ（１００）標的の容易磁化軸が鉛直方向と平行になるようにＦｅ（１００）標的の位置を調整した。
Ｆｅ（１００）標的としては、ＭｇＯ（１００）単結晶基板の上にエピタキシャル成長させたＦｅ単結晶薄膜を用いた。また、このＦｅ（１００）標的は、測定前にあらかじめ超高真空中で容易磁化軸方向に磁化しておいた。
Ｆｅ（１００）標的で散乱させることにより、超高真空槽の中に設置した静電エネルギー分析器にスピン偏極Ｈｅ＋イオンビームを輸送した。
【００７７】
次に、スピン偏極率分析器からの信号をコンピュータに取り込み、データ処理を行った。その際、ビームの偏極率ＰＨｅ＋を、（ｎ↑−ｎ↓）／（ｎ↑＋ｎ↓）と定義した。ただし、ｎ↑とｎ↓はそれぞれ、上向きと下向きのスピンを持つＨｅ＋イオンの個数である。また、Ｈｅ＋イオンビームの偏極率ＰＨｅ＋は、次のように測定した。即ち、まず上向きに偏極したＨｅ＋の弾性散乱強度Ｉ↑を測定した。次に下向きに偏極したＨｅ＋の弾性散乱強度Ｉ↓を測定した。そして、ＰＨｅ＋＝（Ｉ↑−Ｉ↓）／［Ｐａ（Ｉ↑＋Ｉ↓）］として、ＰＨｅ＋を評価した。ただし、Ｐａは比例定数である。このＰａは別途、偏極準安定ヘリウム原子（２３Ｓ１， １ｓ２ｓ）との間で放出電子スペクトルを比較する方法で評価した（非特許文献９）。このＰＨｅ＋測定の際、入射角、出射角、散乱角は、それぞれ、０°、３０°、１５０°となるように、Ｆｅ（１００）標的と静電エネルギー分析器の位置を調整した。ただし、入射角と出射角は、それぞれＦｅ（１００）標的の表面法線方向と入射方向および出射方向がなす角度である。
【００７８】
ビームライン部にはスピン制御用ソレノイドコイルを設置しており、これに電流を流すことにより発生する磁場の大きさを変え、ソレノイドコイルの磁場とスピン偏極Ｈｅ＋イオンビームの偏極率（以下、ビーム偏極率）との関係を調べた。
発生する磁場は、偏極Ｈｅ＋イオン源から超高真空槽までの磁場が、鉛直方向に平行でその大きさが約３×１０−５Ｔとなるように調整した。
【００７９】
図７は、スピン制御用ソレノイドコイルに１Ａを通電した際に発生する軸上の磁場Ｈと磁場勾配を、ソレノイドコイル中心からの距離の関数として計算した結果である。
磁場Ｈは、ソレノイドコイル中で最大となり、それから離れるに従い単調に減少する。装置では前述のように、鉛直方向に約３×１０−５Ｔの磁場が印加されているので、スピン制御用ソレノイドコイルの入り口と出口でＨｅ＋イオンの感じる磁場変化は最大となり、それぞれの地点において一定の確率でスピン反転（スピン非断熱遷移）が起きることになる。またこの時、スピン反転しないＨｅ＋イオンのスピンは磁場に追随することになる。
【００８０】
図８は、スピン制御用ソレノイドコイルの磁場とＨｅ＋イオンビームの偏極率との関係を示す。横軸の磁場は、ソレノイドコイル中心の軸方向の磁場に対応している。Ｈｅ＋イオンビームの運動エネルギーは１．７３ｋｅＶとした。また測定は、弾性散乱エネルギーに対応する１．３２ｋｅＶで行った。図８において、Ｈｅ＋イオンビームの偏極率は、明瞭な磁気振動を示している。これは、スピン制御用ソレノイドコイルの入り口と出口とでそれぞれ起こる非断熱遷移の間の量子力学的干渉の結果であり、Ｓｔｕｃｋｅｌｂｅｒｇ振動と呼ばれる。この磁気振動では、Ｈｅ＋イオンビームの偏極率は正弦的に変化する。即ち、約０．６Ｏｅ毎にＨｅ＋イオンビームのスピンは上向きと下向きとの間でほぼ完全に反転している。従って、図８に示される結果は、上述のスピン制御用ソレノイドコイルが高効率のスピン反転を可能にする装置であることを示している。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明のスピン反転装置、スピン反転評価システム及びスピン反転方法は、１個のソレノイドコイルのみにより高効率のスピン反転を可能とし、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことないので、容易に物性の解析を行うことができ、偏極ビームを利用する分析・装置産業等において利用可能性がある。
【符号の説明】
【００８２】
１…ＲＦ放電管、２…ガス導入口、３…ガス排気口、４…光ポンピング照射光（直線偏光）、５…光ポンピング照射光（円偏光）、６…ビームライン本体部、７…ビームライン排気口、８…ビームライン排気口、９…コイル（スピン制御用ソレノイドコイル）、９ａ…一端、９ｂ…他端、９ｃ、９ｄ…環状部、１０…標的マニピュレータ、１１…超高真空槽、１２…磁場補正用３軸コイル、１５…Ｆｅ（１００）標的、１６…静電エネルギー分析器、１６ｃ…穴部、１７…スピン偏極率分析器、２１…スピン粒子発生源（偏極Ｈｅ＋イオン源）、２２…ビームライン部、２３…超高真空槽部、３１…スピン反転装置、３１ｃ、３１ｄ…開口部、３１ｅ…空間部、３２…スピン反転評価システム、６１…磁石、６１ａ…一端、６１ｂ…他端、６１ｃ、６１ｄ…開口部、６１ｅ…空洞部、Ｓ１…第１の磁場印加工程、Ｓ２…粒子通過工程、Ｓ３…第２の磁場印加工程。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン反転装置、スピン反転評価システム及びスピン反転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、０以外のスピン量子数を有する粒子からなるビームで、スピンの分布が偏ったビーム（以下、偏極ビームともいう）を、試料に照射して得られる信号を分析することで、物性を評価する計測方法が注目されている。例えば、スピン偏極率の大きな偏極ビームを試料に照射する。そして、試料からの信号を分析する。
【０００３】
ビームのスピン偏極率とは、そのビームを構成する粒子のスピンの偏りの指標である。例えば、質量数４のヘリウムの１価の正イオン（４Ｈｅ＋）の場合、１個の電子を持つので、４Ｈｅ＋はこの電子のスピンに起因する磁気モーメントを持つ。４Ｈｅ＋の電子のスピンは、上向きと下向きの２種類があるので、４Ｈｅ＋のスピン量子数は、１／２または−１／２である。それぞれのスピンを持つ４Ｈｅ＋の個数をｎ↑とｎ↓とすれば、スピン偏極率は（ｎ↑−ｎ↓）／（ｎ↑＋ｎ↓）で定義される。しばしば、これに１００を乗じて、％単位で表示される。
【０００４】
スピンが関与する物性を偏極ビームを用いて観測する際に、偏極ビームの極性を反転することで信号のスピン依存性（スピン非対称性）を検出する測定がしばしば行われる。
そのため、偏極ビームによる物性測定には、偏極ビームの極性を効率よく反転することの出来るスピン反転装置が必要とされている。これまでのスピン反転装置では、急峻な磁場反転におけるスピン非断熱遷移がしばしば利用されてきた。そして、これを実現するには、２個の縦置きソレノイドコイルとこれに垂直な磁場を発生する１個の横置きコイルの組み合わせが必要とされていた。
しかし、この従来の方法では複数のコイルを使用するため、コイル位置や磁場の調整が煩雑であり、これが従来技術の課題であった。
【０００５】
スピン非断熱遷移とは、急激に変化する外場中において原子核の位置が変化したとすると、スピンは断熱ポテンシャルに追随できず、その結果としてある確率で起こる状態遷移のことである。この非断熱遷移は、しばしば断熱ポテンシャルの擬交差で起こる。
この非断熱遷移は、核座標の変化が早いほど遷移確率は大きく、擬交差での断熱ポテンシャルのエネルギー差が小さいほど遷移確率は大きく、擬交差をしている二つの断熱ポテンシャルの傾きの差が小さいほど遷移確率は大きくなる。
【０００６】
スピン反転方法に関する技術としては、非特許文献１〜７に開示されている。例えば、非特許文献１〜３には、従来技術であるスピン非断熱遷移を利用したスピン反転方法とその装置が開示されている。また、非特許文献４，５には、原子と中性子のスピン非断熱遷移が開示されている。また、非特許文献６，７には、準安定水素原子の不均一磁場におけるスピンの挙動が開示されている。更にまた、非特許文献８には、スピン非断熱遷移間の量子力学的干渉であるＳｔｕｃｋｅｌｂｅｒｇ振動が開示されている。さらにまた、非特許文献９には、偏極準安定ヘリウム原子（２３Ｓ１，１ｓ２ｓ）ビームと偏極ヘリウムイオン（４Ｈｅ＋）ビームとの間で放出電子スペクトルを比較することにより、偏極４Ｈｅ＋ビームの偏極率を求める方法が開示されている。
しかし、これらの方法を用いても、前記課題を解消することはできなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】応用物理７４（２００５）１３４５、山内泰、倉橋光紀、鈴木拓
【非特許文献２】Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｅ １６（１９８３）５２，Ｗ．Ｓｃｈｒｏｄｅｒ，Ｇ．Ｂａｕｍ
【非特許文献３】Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２２（１９８３）１００９，Ｓ．Ｕｒａｂｅ，Ｙ．Ｏｈｔａ
【非特許文献４】Ｎｕｏｖｏ Ｃｉｍｅｎｔｏ ９（１９４５）４５，Ｅ．Ｍａｊｏｒａｎａ
【非特許文献５】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ，Ｊ．Ｓｃｈｗｉｎｇｅｒ，５１（１９３７）６４８．
【非特許文献６】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ１７（１９７８）５６１，Ｒ．Ｄ．Ｈｉｇｈｔ，Ｔ．Ｒｏｂｉｓｃｏｅ．
【非特許文献７】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ２３（１９８１）１２３４，Ｆ．Ｇａｒｉｓｔｏ，Ｂ．Ｃ．Ｓａｎｃｔｕａｒｙ．
【非特許文献８】Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｐｏｒｔｓ ４９２（２０１０）１，Ｓ．Ｎ．Ｓｈｅｖｃｈｅｎｋｏ，Ｓ．Ａｓｈｈａｂ，Ｆ．Ｎｏｒｉ
【非特許文献９】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ７７（２００８）０２２９０２，Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｙ．Ｙａｍａｕｃｈｉ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転評価システム及びスピン反転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、スピン非断熱遷移間の量子力学的干渉を利用することで、１個のソレノイドコイルのみで、高効率のスピン反転が可能であることに想到して、本発明を完成した。具体的には、本発明は、スピン反転に２回の非断熱遷移の間で生ずる量子力学的干渉を利用する。この量子力学的干渉は、しばしばＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ−Ｓｔｕｃｋｅｌｂｅｒｇ干渉と呼ばれるものである。
本発明は、以下の構成を有する。
【００１０】
本発明のスピン反転装置は、空間部と、前記空間部に連通された２つの開口部を備え、前記２つの開口部の一方から前記空間部内に入射させたスピンを有する粒子からなるビームを、前記開口部の他方から外部に出射可能なスピン反転装置であって、前記開口部で、それぞれ通過する粒子に次式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加可能であることを特徴とする。
【００１１】
断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差を持つ場合、この交差における非断熱遷移確率は、式（１）で与えられる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
一方、断熱ポテンシャルが非交差型の場合の非断熱遷移確率は、Ｒｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒモデルによって、式（２）で与えられる。
【００１４】
【数２】
【００１５】
式（１）で、ｐは非断熱遷移確率、Ｈ１２は擬交差における断熱ポテンシャル曲線の間隔の１／２、Ｒｘは擬交差の位置、ｈはプランク定数、ｖは粒子の速度、ε１とε２は断熱ポテンシャル、Ｒは位置、μＢはボーア磁子、ｇはｇ因子、Ｈは磁場である。式（２）で、Δは透熱状態のエネルギー差、βは透熱結合の指数部の係数である。
【００１６】
本発明のスピン反転装置は、前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされていることが好ましい。
【００１７】
本発明のスピン反転装置は、前記粒子が、イオン、原子又は中性子のいずれかであることが好ましい。
【００１８】
本発明のスピン反転装置は、一本の導線を渦巻状としたコイルからなり、前記コイルの一端側の環状部に囲まれた部分が前記２つの開口部の一方とされ、前記コイルの他端側の環状部に囲まれた部分が前記２つの開口部の他方とされていることが好ましい。
【００１９】
本発明のスピン反転装置は、前記導線の太さが１〜３０ｍｍであり、前記コイルの環状部の直径が１０〜１００ｍｍであり、前記コイルの一端側から他端側までの長さが１０〜５００ｍｍであり、前記コイルの巻き数が３〜１００回であることが好ましい。
【００２０】
本発明のスピン反転装置は、一端側と他端側が異なる極性とされた筒状の磁石からなり、前記磁石の一端側の孔部が前記２つの開口部の一方とされ、前記磁石の他端側の孔部が前記２つの開口部の他方とされていることが好ましい。
【００２１】
本発明のスピン反転評価システムは、スピンを有する粒子を発生可能なスピン粒子発生源と、前記スピン粒子発生源に接続され、空洞部を有するビームライン部と、前記ビームライン部に接続された超高真空槽部とを備え、前記スピン粒子発生源で発生させた粒子を、前記空洞部内を通過させてから、前記超高真空槽部内で分析可能なスピン反転評価システムであって、先に記載のスピン反転装置が、前記ビームライン部に取り付けられていることを特徴とする。
【００２２】
本発明のスピン反転方法は、粒子のスピンを反転させるスピン反転方法であって、スピンを有する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程と、前記粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を再度印加する工程と、を有することを特徴とする。
断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差を持つ場合、この交差における非断熱遷移確率は、式（１）で与えられる。
【００２３】
【数３】
【００２４】
一方、断熱ポテンシャルが非交差型の場合の非断熱遷移確率は、Ｒｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒモデルによって、式（２）で与えられる。
【００２５】
【数４】
【００２６】
式（１）で、ｐは非断熱遷移確率、Ｈ１２は擬交差における断熱ポテンシャル曲線の間隔の１／２、Ｒｘは擬交差の位置、ｈはプランク定数、ｖは粒子の速度、ε１とε２は断熱ポテンシャル、Ｒは位置、μＢはボーア磁子、ｇはｇ因子、Ｈは磁場である。式（２）で、Δは透熱状態のエネルギー差、βは透熱結合の指数部の係数である。
【００２７】
本発明のスピン反転方法は、前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のスピン反転装置は、空間部と、前記空間部に連通された２つの開口部を備え、前記２つの開口部の一方から前記空間部内に入射させたスピンを有する粒子からなるビームを、前記開口部の他方から外部に出射可能なスピン反転装置であって、前記開口部で、それぞれ通過する粒子に式（１）、（２）で表される非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加可能である構成なので、２つの開口部で、それぞれ通過する粒子のスピンに対して非断熱遷移を起こし、さらに２つの開口部間でこの非断熱遷移の量子力学的干渉を生じせしめ、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、通過する粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００２９】
本発明のスピン反転評価システムは、スピンを有する粒子を発生可能なスピン粒子発生源と、前記スピン粒子発生源に接続され、空洞部を有するビームライン部と、前記ビームライン部に接続された超高真空槽部とを備え、前記スピン粒子発生源で発生させた粒子を、前記空洞部内を通過させてから、前記超高真空槽部内で分析可能なスピン反転評価システムであって、先に記載のスピン反転装置が、前記ビームライン部に取り付けられている構成なので、スピン反転装置によって高効率にスピンが反転されたビームの偏極率を正確に調べるための、スピン反転評価システムを提供することが出来る。
【００３０】
本発明のスピン反転方法は、粒子のスピンを反転させるスピン反転方法であって、スピンを有する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程と、前記粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を再度印加する工程と、を有する構成なので、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のスピン反転評価システムの一例を示す概略図である。
【図２】本発明のスピン反転装置の一例を示す概略図である。
【図３】本発明のスピン反転方法の一例を説明する概略図である。
【図４】本発明のスピン反転方法の一例を示すフローチャート図である。
【図５】本発明のスピン反転原理を説明する概略図である。
【図６】本発明のスピン反転装置の別の一例を示す概略図である。
【図７】本発明のスピン制御用ソレノイドコイルに１Ａを通電する際に発生する軸方向の磁場と磁場勾配をソレノイドコイル中心からの距離の関数として計算結果の一例を示すグラフである。
【図８】本発明のスピン制御用ソレノイドコイルの発生する磁場の関数として測定したＨｅ＋イオンビームの偏極率の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（本発明の実施形態）
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態であるスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムについて説明する。
【００３３】
＜スピン反転評価システム＞
まず、本発明の実施形態であるスピン反転評価システムについて説明する。
図１は、本発明の実施形態であるスピン反転評価システムの一例を示す概略図である。
図１に示すように、スピン反転評価システム３２は、全体を取り囲むように配置された磁場補正用３軸コイル１２と、スピン粒子発生源（偏極Ｈｅ＋イオン源）２１と、ビームライン部２２と、超高真空槽部２３と、を備えて、概略構成されている。
【００３４】
スピン粒子発生源２１は、スピンを有する粒子を発生可能な装置である。図１では、スピン粒子発生源２１として偏極４Ｈｅ＋イオン源を用いた例を示しており、ガス導入口２と、ガス排気口３とが備えられたＲＦ放電管１から構成されている。このＲＦ放電管１内の所定の位置に、光ポンピング照射光４、５を照射可能とされている。
【００３５】
なお、本実施形態では、スピンを有する粒子として、電子スピンが偏極したヘリウムの１価の正イオン（４Ｈｅ＋）を用いたが、量子力学的干渉を生じさせる粒子であれば、これに限られるものではなく、４Ｈｅ＋イオン以外のイオン、原子、中性子を用いても良い。
なお、この量子力学的干渉は、実施例で示す４Ｈｅ＋イオンのみならず、他のイオン種や原子、さらには中性子においても起こることは既に知られている（非特許文献８）。
【００３６】
スピン粒子の発生は、例えば、次のような工程で行う。
まず、ＲＦ放電管１に、ヘリウムガスをガス導入口２から導入するとともに、ガス排気口３から排気を行い、ＲＦ放電管１中のヘリウム圧力が約２０Ｐａとなるように調整する。
次に、ＲＦ出力を３Ｗとして、ＲＦ放電管１内にヘリウムプラズマを発生させる。
次に、ＲＦ放電管１内に発生させたヘリウムプラズマに、直線偏光の光ポンピング照射光４と円偏光の光ポンピング照射光５を照射して、偏極４Ｈｅ＋イオンを発生させる。
なお、光ポンピングの波長は１０８３ｎｍＤ０線に調整する。偏極４Ｈｅ＋イオンのスピンの向き（上向き、又は下向き）は、円偏光の光ポンピング照射光５のヘリシティで制御する。また、光ポンピングの照射光密度は、たとえば、約０．１Ｗ／ｃｍ２とする。
【００３７】
ビームライン部２２は、ビームライン排気口７、８が接合された筒状のビームライン本体部６から構成されている。
ＲＦ放電管１で発生させたスピン偏極４Ｈｅ＋は、ビームライン本体部６の筒内を通過して、超高真空槽１１の中に設置した静電エネルギー分析器を有するスピン検出器（以下、スピン偏極率分析器ともいう）まで輸送される。
なお、ビームライン本体部６中の残留ガスは、ビームライン排気口７、８から排気される。
【００３８】
超高真空槽部２３は、超高真空槽１１と、標的マニュピュレータ１０と有している。超高真空槽１１内には、Ｆｅ（１００）標的と静電エネルギー分析器が備えられており、標的マニュピュレータ１０は前記Ｆｅ（１００）標的の位置・角度を調節するマニュピュレータである。
【００３９】
図１に示すように、ビームライン本体部６の超高真空槽部２３側には、本発明の実施形態であるスピン反転装置３１（コイル９）が巻き付けられている。これにより、スピン反転装置３１（コイル９）が発生する磁場と偏極４Ｈｅ＋イオンビームの偏極率との関係を調べることが可能となる。
【００４０】
＜スピン反転装置＞
次に、本発明の実施形態であるスピン反転装置について説明する。
図２は、本発明の実施形態であるスピン反転装置３１の一例を示す模式図であって、図２（ａ）は斜視図であり、図２（ｂ）はＡ方向から見た側面図である。
図１、２に示すように、本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、コイル９である。具体的には、スピン制御用ソレノイドコイルである。
【００４１】
図２に示すように、スピン反転装置３１は、一本の導線を渦巻状としたコイル９からなり、コイル９の一端９ａ側の環状部９ｃに囲まれた部分が開口部３１ｃとされ、コイル９の他端９ｂ側の環状部９ｄに囲まれた部分が開口部３１ｄとされている。
また、開口部３１ｃと開口部３１ｄの間のコイル９に取り囲まれた部分は空間部３１ｅとされている。空間部３１ｅは、導線の隙間からコイル９の外部空間と連通されているとともに、開口部３１ｃ、３１ｄで外部空間と連通されている。
【００４２】
コイル９に電流を流すことにより、空間部３１ｅの軸方向に平行な磁場を形成することができる。これにより、空間部３１ｅ内を、イオンを有する粒子を通過させたときに、開口部３１ｃ、３１ｄで、後述するスピン反転方法で示す式（１）、（２）で表される非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加することができる。磁場の大きさは、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となるように調整することがより望ましい。
【００４３】
前記導線の太さは０．５〜３０ｍｍとすることが好ましく、０．５〜１５ｍｍとすることがより好ましい。０．５ｍｍ未満及び３０ｍｍ超では、高効率のスピン反転に必要なコイル９の空間部３１ｅにおける均一磁場を形成することが困難となる。
また、コイル９の環状部の直径が１０〜１００ｍｍとすることが好ましく、２０〜８０ｍｍとすることがより好ましい。１０ｍｍ未満及び１００ｍｍ超では、所定の磁場を形成することが困難となる。
コイル９の開口部３１ｃ、３１ｄでおこるスピン非断熱遷移の間の量子力学的干渉を利用するには、開口部３１ｃと３１ｄが適切な間隔である必要がある。この理由から、コイルの一端側から他端側までの長さが１０〜５００ｍｍとすることが好ましく、２０〜８０ｍｍとすることがより好ましい。１０ｍｍ未満及び１００ｍｍ超では、高効率のスピン反転は困難となる。
更に、コイル９の巻き数は３〜１００回であることが好ましく、５〜８０回とすることがより好ましい。３回未満及び１００回超では、所定の磁場を形成することが困難となる。
【００４４】
＜スピン反転方法＞
次に、本発明の実施形態であるスピン反転方法について説明する。
図３は、スピン反転評価方法の一例を説明する概略図である。
図３に示すように、まず、ＲＦ放電管１から発射された粒子は、矢印ｙの方向に進み、スピン反転装置３１の空間部３１ｅ内を通過する。
次に、超高真空槽１１内のスピン偏極率分析器１７によってスピン反転評価が行われる。すなわち、粒子はＦｅ（１００）標的１５で散乱された後、静電エネルギー分析器１６の穴部１６ｃから、静電エネルギー分析器１６の内部に取り込まれてスピン反転評価が行われる。
【００４５】
Ｆｅ（１００）標的１５としては、例えば、ＭｇＯ（１００）単結晶基板の上にエピタキシャル成長させたＦｅ単結晶薄膜を利用することができる。Ｆｅ（１００）標的１５は、測定前にあらかじめ超高真空中で容易磁化軸方向に磁化しておくことが好ましく、この容易磁化軸が鉛直方向と平行になるようにＦｅ（１００）標的の位置を調整することが好ましい。これにより、スピン反転の測定精度を向上させることができる。
【００４６】
スピン偏極率分析器１７からの信号は、コンピュータに取り込まれ、データ処理が行われる。データ処理は次のように行う。
まず、４Ｈｅ＋イオンビームのビームの偏極率ＰＨｅ＋を、（ｎ↑−ｎ↓）／（ｎ↑＋ｎ↓）と定義する。ここで、ｎ↑とｎ↓はそれぞれ、上向きと下向きのスピンを持つ４Ｈｅ＋イオンの個数である。
【００４７】
また、４Ｈｅ＋イオンビームの偏極率ＰＨｅ＋は、例えば、次のように測定する。
まず、上向きに偏極したＨｅ＋の弾性散乱強度Ｉ↑を測定する。
次に、下向きに偏極したＨｅ＋の弾性散乱強度Ｉ↓を測定する。
そして、ＰＨｅ＋＝（Ｉ↑−Ｉ↓）／［Ｐａ（Ｉ↑＋Ｉ↓）］として、ＰＨｅ＋を評価する。ただし、Ｐａは比例定数である。
【００４８】
このＰａは別途、偏極準安定ヘリウム原子（２３Ｓ１， １ｓ２ｓ）との間で放出電子スペクトルを比較する方法で評価する（非特許文献９）。
このＰＨｅ＋測定の際、入射角、出射角、散乱角をそれぞれ０°、３０°、１５０°となるように、Ｆｅ（１００）標的１５と静電エネルギー分析器１６の位置を調整する。ただし、入射角と出射角は、それぞれＦｅ（１００）標的１５の表面の法線方向と入射方向及び出射方向がなす角度である。
【００４９】
スピン非断熱繊維は、粒子がスピン反転装置３１に入射されるとき及び粒子がスピン反転装置３１から出射されるときに起こる。
図４は、本発明の実施形態であるスピン反転方法の一例を示すフローチャート図である。
図４に示すように、本発明の実施形態であるスピン反転方法は、第１の磁場印加工程Ｓ１と、粒子通過工程Ｓ２と、第２の磁場印加工程Ｓ３とからなる。
第１の磁場印加工程Ｓ１が、スピンを有する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程であり、第２の磁場印加工程Ｓ３が、前記粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を再度印加する工程である。
【００５０】
｛第１の磁場印加工程Ｓ１｝
第１の磁場印加工程Ｓ１は、スピンを有する粒子を、スピン反転装置３１の開口部３１ｃに外部から入射する際に、通過する粒子に次式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が５０％の確率で起きるための条件を満たす磁場を印加する工程である。
【００５１】
｛粒子通過工程Ｓ２｝
粒子通過工程Ｓ２は、スピン反転装置３１の空間部３１ｅ内を、開口部３１ｃから開口部３１ｄに向けて前記粒子を通過させる工程である。
【００５２】
｛第２の磁場印加工程Ｓ３｝
第２の磁場印加工程Ｓ３は、スピン反転装置３１の２つの開口部３１ｄから外部に出射する際に、通過する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程Ｓ３である。
【００５３】
図５は、本発明の実施形態であるスピン反転原理を説明する概略図であって、図５（ａ）は磁場形成模式図であり、図５（ｂ）は磁場により形成されるエネルギー図である。
本発明の実施形態であるスピン反転装置では、コイル９に電流を流すことにより、２つの開口部３１ｃ、３１ｄで、それぞれ通過する粒子は、次式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場が印加される。
【００５４】
断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差を持つ場合、この交差における非断熱遷移確率は、式（１）で与えられる。
【００５５】
【数５】
【００５６】
一方、断熱ポテンシャルが非交差型の場合の非断熱遷移確率は、Ｒｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒモデルによって、式（２）で与えられる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
式（１）で、ｐは非断熱遷移確率、Ｈ１２は擬交差における断熱ポテンシャル曲線の間隔の１／２、Ｒｘは擬交差の位置、ｈはプランク定数、ｖは粒子の速度、ε１とε２は断熱ポテンシャル、Ｒは位置、μＢはボーア磁子、ｇはｇ因子、Ｈは磁場である。式（２）で、Δは透熱状態のエネルギー差、βは透熱結合の係数である。
例えば、偏極４Ｈｅ＋イオン源２１から超高真空槽１１までの磁場が、鉛直方向に平行でその大きさが約３×１０−５Ｔとなるように調整可能とされる。
【００５９】
これにより、図５（ａ）に示すように、一方の開口部３１ｃから他方の開口部３１ｄへ向かう方向であって、空間部３１ｅの軸方向（ｙ軸方向）に平行な方向に磁場Ｈが形成される。これにより、空間部３１ｅの軸方向（ｙ軸方向）に平行な方向に図５（ｂ）に示すエネルギーＥｙが形成される。スピン反転装置３１内を通過する粒子は、図５（ｂ）に示すエネルギーＥｙに支配される。
エネルギーＥｙは磁場Ｈに比例するゼーマンエネルギーであり、開口部３１ｃのｙ軸上の位置ｙ０及び開口部３１ｄのｙ軸上の位置ｙ１でそれぞれ、その変化は最大となる。
【００６０】
開口部３１ｃのｙ軸上の位置ｙ０及び開口部３１ｄのｙ軸上の位置ｙ１でそれぞれ、Ｅｙの変化が最大となる場所において、スピン非断熱遷移の確率は最大となる。
例えば、ＲＦ放電管１でほぼ上向きのスピンだけからなる粒子ビーム（１００％、ＵＰ）を発生させても、開口部３１ｃのｙ軸上の位置ｙ０及び開口部３１ｄのｙ軸上の位置ｙ１で、Ｅｙの変化が最大となるので、スピン非断熱遷移が生じ、上のエネルギー状態の粒子の数（５０％、ＵＰ）と下のエネルギー状態の粒子の数（５０％、ＤＯＷＮ）がほとんど等しくなる。
【００６１】
つまり、この磁場Ｈを印加することにより、スピン非断熱遷移間の量子力学的干渉を利用することができ、１個のソレノイドコイルのみで、粒子の高効率のスピン反転が可能となる。
具体的には、２つの開口部で、それぞれ通過する粒子のスピンの非断熱遷移間の量子力学的干渉を生じせしめ、２回の非断熱遷移の間で生ずる量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、通過する粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができる。これにより、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６２】
＜本発明の第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態であるスピン反転装置について説明する。
図６は、本発明のスピン反転装置の別の一例を示す概略図であって、図６（ａ）は斜視図であり、図６（ｂ）は側面図である。
図６では、スピン反転装置３１が一端６１ａ側と他端６１ｂ側が異なる極性とされた筒状の磁石６１とされている。
磁石６１の一端６１ａ側の孔部６１ｃが２つの開口部３１ｃとされ、磁石６１の他端６１ｂ側の孔部６１ｄが２つの開口部３１ｄとされ、開口部３１ｃと開口部３１ｄとを連通する空間部３１ｅが設けられている。
【００６３】
このように、スピン反転装置３１はコイル９に限られるものではなく、何らかの方法で磁場を変化させてスピン非断熱遷移を誘起可能な装置であれば良い。この構成を備えることにより、スピン非断熱遷移の間の量子力学的干渉を生じさせることができ、その結果、高効率にスピンを反転させることができる。
【００６４】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、空間部３１ｅと、空間部３１ｅに連通された２つの開口部３１ｃ、３１ｄを備え、前記開口部３１ｃ、３１ｄの一方３１ｃから前記空間部３１ｅ内に入射さたスピンを有する粒子からなるビームを、前記開口部３１ｃ、３１ｄの他方３１ｄから外部に出射可能なスピン反転装置であって、前記２つの開口部３１ｃ、３１ｄで、それぞれ通過する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が５０％の確率で起きるための条件を満たす磁場を印加可能である構成なので、２つの開口部で、それぞれ通過する粒子のスピンに対して非断熱遷移を起こし、さらに２つの開口部間でこの非断熱遷移の量子力学的干渉を生じせしめ、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、通過する粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６５】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされている構成なので、２つの開口部で、それぞれ通過する粒子のスピンに対して非断熱遷移を起こし、さらに２つの開口部間でこの非断熱遷移の量子力学的干渉を生じせしめ、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、通過する粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６６】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、前記粒子が、イオン、原子又は中性子のいずれかである構成なので、イオン、原子又は中性子等の粒子のスピンを、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率で反転できるスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６７】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、一本の導線を渦巻状としたコイル９からなり、コイル９の一端９ａ側の環状部９ｃに囲まれた部分が前記２つの開口部の一方３１ｃとされ、コイル９の他端９ｂ側の環状部９ｄに囲まれた部分が前記２つの開口部の他方３１ｄとされている構成なので、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６８】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、前記導線の太さが１〜３０ｍｍであり、コイル９の環状部９ｃ、９ｄの直径が１０〜１００ｍｍであり、コイル９の一端９ａ側から他端９ｂ側までの長さが１０〜５００ｍｍであり、コイル９の巻き数が３〜１００回である構成なので、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００６９】
本発明の実施形態であるスピン反転装置３１は、一端６１ａ側と他端６１ｂ側が異なる極性とされた筒状の磁石６１からなり、磁石６１の一端６１ａ側の孔部６１ｃが前記２つの開口部の一方３１ｃとされ、磁石６１の他端６１ｂ側の孔部６１ｄが前記２つの開口部の他方３１ｄとされている構成なので、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００７０】
本発明の実施形態であるスピン反転評価システム３２は、スピンを有する粒子を発生可能なスピン粒子発生源２１と、スピン粒子発生源２１に接続され、空洞部２２を有するビームライン部と、ビームライン部２２に接続された超高真空槽部２３とを備え、スピン粒子発生源２１で発生させた粒子を、前記空洞部内を通過させてから、超高真空槽部２３内で分析可能なスピン反転評価システムであって、スピン反転装置３１が、ビームライン部２２に取り付けられている構成なので、スピン反転装置によって高効率にスピンが反転されたビームの偏極率を正確に調べるための、スピン反転評価システムを提供することが出来る。
【００７１】
本発明の実施形態であるスピン反転方法は、粒子のスピンを反転させるスピン反転方法であって、スピンを有する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程Ｓ１、前記粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を再度印加する工程Ｓ３と、を有する構成なので、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００７２】
本発明の実施形態であるスピン反転方法は、前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされている構成なので、２つの開口部で、それぞれ通過する粒子のスピンに対して非断熱遷移を起こし、さらに２つの開口部間でこの非断熱遷移の量子力学的干渉を生じせしめ、２回の非断熱遷移の間で生ずるこの量子力学的干渉を利用して、スピンを反転させることができ、通過する粒子のスピンの非断熱遷移確率をほぼ等しくすることができ、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことなく、高効率のスピン反転を可能とするスピン反転装置、スピン反転方法及びスピン反転評価システムを提供することができる。
【００７３】
本発明の実施形態であるスピン反転装置、スピン反転評価システム及びスピン反転方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００７４】
（実施例１）
図１、図２及び図３の装置（偏極４Ｈｅ＋イオン源、ビームライン部、スピン制御用ソレノイドコイル、スピン偏極率分析器を備えた超高真空槽部、磁場補正用３軸コイルを備えた装置）を用いて以下の実験を行った。
また、図３において、ＲＦ放電管からスピン制御用ソレノイドコイルまでの距離ｄ１は４０ｃｍとし、スピン制御用ソレノイドコイルの長さｄ２は５ｃｍとし、スピン制御用ソレノイドコイルからスピン偏極率分析器までの距離ｄ３は２８ｃｍとした。
また、スピン制御用ソレノイドコイルの直径は７ｃｍ、巻き数は２０回とした。
なお、装置全体を取り囲む磁場補正用３軸コイルを設置した。
【００７５】
まず、ＲＦ放電管にヘリウムガスをガス導入口から導入して、また、ＲＦ放電管からガス排気口を利用して、ヘリウムガスの排気を行い、ＲＦ放電管中のヘリウム圧力を、約２０Ｐａとなるように調整した。
次に、ＲＦ出力は、３Ｗとして、ヘリウムプラズマを発生させた。
次に、ＲＦ放電管に発生させたヘリウムプラズマに、直線偏光の光ポンピング照射光と円偏光の光ポンピング照射光を照射して、電子スピン偏極したヘリウムの１価の正イオン（４Ｈｅ＋）（以下、スピン偏極Ｈｅ＋イオン）を発生させた。
なお、光ポンピングの波長は１０８３ｎｍＤ０線に調整した。スピン偏極Ｈｅ＋イオンのスピンの向き（上向き、又は下向き）は、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティで制御した。また、光ポンピングの照射光密度は、約０．１Ｗ／ｃｍ２となるように調整した。
【００７６】
次に、スピン偏極Ｈｅ＋イオンからなるビーム（以下、スピン偏極Ｈｅ＋イオンビーム）を、ビームライン部を用いて超高真空槽まで輸送した。なお、ビームライン中の残留ガスは、ビームライン排気口から排気した。
次に、マニピュレータを操作して、超高真空槽に設置したＦｅ（１００）標的の位置を、Ｆｅ（１００）標的の容易磁化軸が鉛直方向と平行になるようにＦｅ（１００）標的の位置を調整した。
Ｆｅ（１００）標的としては、ＭｇＯ（１００）単結晶基板の上にエピタキシャル成長させたＦｅ単結晶薄膜を用いた。また、このＦｅ（１００）標的は、測定前にあらかじめ超高真空中で容易磁化軸方向に磁化しておいた。
Ｆｅ（１００）標的で散乱させることにより、超高真空槽の中に設置した静電エネルギー分析器にスピン偏極Ｈｅ＋イオンビームを輸送した。
【００７７】
次に、スピン偏極率分析器からの信号をコンピュータに取り込み、データ処理を行った。その際、ビームの偏極率ＰＨｅ＋を、（ｎ↑−ｎ↓）／（ｎ↑＋ｎ↓）と定義した。ただし、ｎ↑とｎ↓はそれぞれ、上向きと下向きのスピンを持つＨｅ＋イオンの個数である。また、Ｈｅ＋イオンビームの偏極率ＰＨｅ＋は、次のように測定した。即ち、まず上向きに偏極したＨｅ＋の弾性散乱強度Ｉ↑を測定した。次に下向きに偏極したＨｅ＋の弾性散乱強度Ｉ↓を測定した。そして、ＰＨｅ＋＝（Ｉ↑−Ｉ↓）／［Ｐａ（Ｉ↑＋Ｉ↓）］として、ＰＨｅ＋を評価した。ただし、Ｐａは比例定数である。このＰａは別途、偏極準安定ヘリウム原子（２３Ｓ１， １ｓ２ｓ）との間で放出電子スペクトルを比較する方法で評価した（非特許文献９）。このＰＨｅ＋測定の際、入射角、出射角、散乱角は、それぞれ、０°、３０°、１５０°となるように、Ｆｅ（１００）標的と静電エネルギー分析器の位置を調整した。ただし、入射角と出射角は、それぞれＦｅ（１００）標的の表面法線方向と入射方向および出射方向がなす角度である。
【００７８】
ビームライン部にはスピン制御用ソレノイドコイルを設置しており、これに電流を流すことにより発生する磁場の大きさを変え、ソレノイドコイルの磁場とスピン偏極Ｈｅ＋イオンビームの偏極率（以下、ビーム偏極率）との関係を調べた。
発生する磁場は、偏極Ｈｅ＋イオン源から超高真空槽までの磁場が、鉛直方向に平行でその大きさが約３×１０−５Ｔとなるように調整した。
【００７９】
図７は、スピン制御用ソレノイドコイルに１Ａを通電した際に発生する軸上の磁場Ｈと磁場勾配を、ソレノイドコイル中心からの距離の関数として計算した結果である。
磁場Ｈは、ソレノイドコイル中で最大となり、それから離れるに従い単調に減少する。装置では前述のように、鉛直方向に約３×１０−５Ｔの磁場が印加されているので、スピン制御用ソレノイドコイルの入り口と出口でＨｅ＋イオンの感じる磁場変化は最大となり、それぞれの地点において一定の確率でスピン反転（スピン非断熱遷移）が起きることになる。またこの時、スピン反転しないＨｅ＋イオンのスピンは磁場に追随することになる。
【００８０】
図８は、スピン制御用ソレノイドコイルの磁場とＨｅ＋イオンビームの偏極率との関係を示す。横軸の磁場は、ソレノイドコイル中心の軸方向の磁場に対応している。Ｈｅ＋イオンビームの運動エネルギーは１．７３ｋｅＶとした。また測定は、弾性散乱エネルギーに対応する１．３２ｋｅＶで行った。図８において、Ｈｅ＋イオンビームの偏極率は、明瞭な磁気振動を示している。これは、スピン制御用ソレノイドコイルの入り口と出口とでそれぞれ起こる非断熱遷移の間の量子力学的干渉の結果であり、Ｓｔｕｃｋｅｌｂｅｒｇ振動と呼ばれる。この磁気振動では、Ｈｅ＋イオンビームの偏極率は正弦的に変化する。即ち、約０．６Ｏｅ毎にＨｅ＋イオンビームのスピンは上向きと下向きとの間でほぼ完全に反転している。従って、図８に示される結果は、上述のスピン制御用ソレノイドコイルが高効率のスピン反転を可能にする装置であることを示している。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明のスピン反転装置、スピン反転評価システム及びスピン反転方法は、１個のソレノイドコイルのみにより高効率のスピン反転を可能とし、コイル位置や磁場の調整をほとんど行うことないので、容易に物性の解析を行うことができ、偏極ビームを利用する分析・装置産業等において利用可能性がある。
【符号の説明】
【００８２】
１…ＲＦ放電管、２…ガス導入口、３…ガス排気口、４…光ポンピング照射光（直線偏光）、５…光ポンピング照射光（円偏光）、６…ビームライン本体部、７…ビームライン排気口、８…ビームライン排気口、９…コイル（スピン制御用ソレノイドコイル）、９ａ…一端、９ｂ…他端、９ｃ、９ｄ…環状部、１０…標的マニピュレータ、１１…超高真空槽、１２…磁場補正用３軸コイル、１５…Ｆｅ（１００）標的、１６…静電エネルギー分析器、１６ｃ…穴部、１７…スピン偏極率分析器、２１…スピン粒子発生源（偏極Ｈｅ＋イオン源）、２２…ビームライン部、２３…超高真空槽部、３１…スピン反転装置、３１ｃ、３１ｄ…開口部、３１ｅ…空間部、３２…スピン反転評価システム、６１…磁石、６１ａ…一端、６１ｂ…他端、６１ｃ、６１ｄ…開口部、６１ｅ…空洞部、Ｓ１…第１の磁場印加工程、Ｓ２…粒子通過工程、Ｓ３…第２の磁場印加工程。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間部と、前記空間部に連通された２つの開口部を備え、前記開口部の一方から前記空間部内に入射させたスピンを有する粒子からなるビームを、前記開口部の他方から外部に出射可能なスピン反転装置であって、前記２つの開口部で、それぞれ通過する粒子に次式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加可能であることを特徴とするスピン反転装置。
断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差を持つ場合、この交差における非断熱遷移確率は、式（１）で与えられる。
【数１】
一方、断熱ポテンシャルが非交差型の場合の非断熱遷移確率は、Ｒｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒモデルによって、式（２）で与えられる。
【数２】
式（１）で、ｐは非断熱遷移確率、Ｈ１２は擬交差における断熱ポテンシャル曲線の間隔の１／２、Ｒｘは擬交差の位置、ｈはプランク定数、ｖは粒子の速度、ε１とε２は断熱ポテンシャル、Ｒは位置、μＢはボーア磁子、ｇはｇ因子、Ｈは磁場である。式（２）で、Δは透熱状態のエネルギー差、βは透熱結合の指数部の係数である。
【請求項２】
前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされていることを特徴とする請求項１に記載のスピン反転装置。
【請求項３】
前記粒子が、イオン、原子又は中性子のいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスピン反転装置。
【請求項４】
一本の導線を渦巻状としたコイルからなり、前記コイルの一端側の環状部に囲まれた部分が前記２つの開口部の一方とされ、前記コイルの他端側の環状部に囲まれた部分が前記２つの開口部の他方とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスピン反転装置。
【請求項５】
前記導線の太さが１〜３０ｍｍであり、前記コイルの環状部の直径が１０〜１００ｍｍであり、前記コイルの一端側から他端側までの長さが１０〜５００ｍｍであり、前記コイルの巻き数が３〜１００回であることを特徴とする請求項４に記載のスピン反転装置。
【請求項６】
一端側と他端側が異なる極性とされた筒状の磁石からなり、前記磁石の一端側の孔部が前記２つの開口部の一方とされ、前記磁石の他端側の孔部が前記２つの開口部の他方とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスピン反転装置。
【請求項７】
スピンを有する粒子を発生可能なスピン粒子発生源と、前記スピン粒子発生源に接続され、空洞部を有するビームライン部と、前記ビームライン部に接続された超高真空槽部とを備え、前記スピン粒子発生源で発生させた粒子を、前記空洞部内を通過させてから、前記超高真空槽部内で分析可能なスピン反転評価システムであって、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のスピン反転装置が、前記ビームライン部に取り付けられていることを特徴とするスピン反転評価システム。
【請求項８】
粒子のスピンを反転させるスピン反転方法であって、スピンを有する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程と、前記粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を再度印加する工程と、を有することを特徴とするスピン反転方法。
断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差を持つ場合、この交差における非断熱遷移確率は、式（１）で与えられる。
【数３】
一方、断熱ポテンシャルが非交差型の場合の非断熱遷移確率は、Ｒｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒモデルによって、式（２）で与えられる。
【数４】
式（１）で、ｐは非断熱遷移確率、Ｈ１２は擬交差における断熱ポテンシャル曲線の間隔の１／２、Ｒｘは擬交差の位置、ｈはプランク定数、ｖは粒子の速度、ε１とε２は断熱ポテンシャル、Ｒは位置、μＢはボーア磁子、ｇはｇ因子、Ｈは磁場である。式（２）で、Δは透熱状態のエネルギー差、βは透熱結合の指数部の係数である。
【請求項９】
前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされていることを特徴とする請求項８に記載のスピン反転方法。
【請求項１】
空間部と、前記空間部に連通された２つの開口部を備え、前記開口部の一方から前記空間部内に入射させたスピンを有する粒子からなるビームを、前記開口部の他方から外部に出射可能なスピン反転装置であって、前記２つの開口部で、それぞれ通過する粒子に次式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加可能であることを特徴とするスピン反転装置。
断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差を持つ場合、この交差における非断熱遷移確率は、式（１）で与えられる。
【数１】
一方、断熱ポテンシャルが非交差型の場合の非断熱遷移確率は、Ｒｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒモデルによって、式（２）で与えられる。
【数２】
式（１）で、ｐは非断熱遷移確率、Ｈ１２は擬交差における断熱ポテンシャル曲線の間隔の１／２、Ｒｘは擬交差の位置、ｈはプランク定数、ｖは粒子の速度、ε１とε２は断熱ポテンシャル、Ｒは位置、μＢはボーア磁子、ｇはｇ因子、Ｈは磁場である。式（２）で、Δは透熱状態のエネルギー差、βは透熱結合の指数部の係数である。
【請求項２】
前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされていることを特徴とする請求項１に記載のスピン反転装置。
【請求項３】
前記粒子が、イオン、原子又は中性子のいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスピン反転装置。
【請求項４】
一本の導線を渦巻状としたコイルからなり、前記コイルの一端側の環状部に囲まれた部分が前記２つの開口部の一方とされ、前記コイルの他端側の環状部に囲まれた部分が前記２つの開口部の他方とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスピン反転装置。
【請求項５】
前記導線の太さが１〜３０ｍｍであり、前記コイルの環状部の直径が１０〜１００ｍｍであり、前記コイルの一端側から他端側までの長さが１０〜５００ｍｍであり、前記コイルの巻き数が３〜１００回であることを特徴とする請求項４に記載のスピン反転装置。
【請求項６】
一端側と他端側が異なる極性とされた筒状の磁石からなり、前記磁石の一端側の孔部が前記２つの開口部の一方とされ、前記磁石の他端側の孔部が前記２つの開口部の他方とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスピン反転装置。
【請求項７】
スピンを有する粒子を発生可能なスピン粒子発生源と、前記スピン粒子発生源に接続され、空洞部を有するビームライン部と、前記ビームライン部に接続された超高真空槽部とを備え、前記スピン粒子発生源で発生させた粒子を、前記空洞部内を通過させてから、前記超高真空槽部内で分析可能なスピン反転評価システムであって、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のスピン反転装置が、前記ビームライン部に取り付けられていることを特徴とするスピン反転評価システム。
【請求項８】
粒子のスピンを反転させるスピン反転方法であって、スピンを有する粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を印加する工程と、前記粒子に式（１）、（２）で表されるスピン非断熱遷移が起きるための条件を満たす磁場を再度印加する工程と、を有することを特徴とするスピン反転方法。
断熱ポテンシャルがＬａｎｄａｕ−Ｚｅｎｅｒ型交差を持つ場合、この交差における非断熱遷移確率は、式（１）で与えられる。
【数３】
一方、断熱ポテンシャルが非交差型の場合の非断熱遷移確率は、Ｒｏｓｅｎ−Ｚｅｎｅｒモデルによって、式（２）で与えられる。
【数４】
式（１）で、ｐは非断熱遷移確率、Ｈ１２は擬交差における断熱ポテンシャル曲線の間隔の１／２、Ｒｘは擬交差の位置、ｈはプランク定数、ｖは粒子の速度、ε１とε２は断熱ポテンシャル、Ｒは位置、μＢはボーア磁子、ｇはｇ因子、Ｈは磁場である。式（２）で、Δは透熱状態のエネルギー差、βは透熱結合の指数部の係数である。
【請求項９】
前記磁場の大きさが、式（１）、（２）で表される非断熱遷移の確率が５０％となる大きさとされていることを特徴とする請求項８に記載のスピン反転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−５２９７０（Ｐ２０１２−５２９７０Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９７２１６（Ｐ２０１０−１９７２１６）
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、科学技術振興機構、先端計測分析機器開発事業委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、科学技術振興機構、先端計測分析機器開発事業委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
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