[科普中国]-自旋探测

自旋探测是指确定电子的自旋状态的方法。自旋作为电子结构的一项重要参数，对材料性质尤其是磁学性质的影响有着举足轻重的地位，因此最气状态的探测也显得尤为重要。

内容简介在自旋电子器件的研制过程中人们必须解决一系列问题:如何提高自旋极化的注入效率，如何探测自旋极化的弛豫和电子自旋的寿命，自旋极化载流子在异质结界面间如何传播等。解决以上问题都依赖于对自旋弛豫时间、自旋扩散长度的探测，自旋磁性材料的自旋极化率的表征和对自旋弛豫机理的解释。

因而基础试验和应用试验的进展依赖于自旋探测手段的发展。1

研究意义材料的电子结构直接决定了材料的力学、热学、光学和电输运等宏观物理性质，因而材料电子结构研究成为凝聚态物理学研究的币要领域。而自旋作为电子结构的一项重要参数，对材料性质尤其是磁学性质的影响有着举足轻重的地位。例如材料中电子向上自旋和向下自旋的电子数量不等，就会出现自旋极化电子态；这种状态的出现，就意味若材料一具有了铁磁性的宏观特性。除此之外，凝聚态物理学研究表明，电子自旋相互作用在超导体，重费米子等强关联物理体系相变机制中具有极其重要的作用。通过对自旋分辨的能带结构研究可以得到}包一子间交换相互作用、自旋一轨道耦合、以及电荷、自旋、轨道以及品格等多种关联作用。因此确定电子的自旋状态对于材料性质的研究就显得尤为重要。而关于电子自旋状态的表征手段的研究就迫在眉睫。一种先进的电子自旋表征技术对于凝聚态物理学和现代材料研究具有重要的科学和现实意义。

自旋探测原理当入射电子束处于非自旋极化状态即入射电子束中自旋方向取向上和向下的子数目相同时，材料在宏观表现上不具有铁磁性。经磁性材料散射作用以后，被散射的电子和二次电子会在不同散射方向上因为自旋取向数目不同而出现自旋极化的现象，即不同散射方向上自旋取向不同的电子数显著不同。如果能将不同方向的电子数目进行统计，就可以得到电子自旋的极化度和极化方向。

探测电子的方法有很多种，原始的方法是釆用单电子检出的方式直接测量减速背散射电子。但是这种方式的计数率不够，并且不抗干扰。可以采用高速闪烁体和光电倍增管检测高能散射电子的检测方式，具体的探测电子的方式如下。

如图所示，采用高速闪烁体将自旋电子流转换为光信号，再用光电倍增管去探测高速闪烁体产生的光信号，最后输出电流脉冲信号。电子学系统对电流信号进行I-V变换，放大、甄别和计数，这样就可以得到单个方向的自旋电子数。因为不同的极化方向的电子的运动轨迹不同，如果将四个闪烁体和光电倍增的位置进行固定，就可以得到不同方向上的自旋电子数，然后进行分析，最终得到电子自旋的极化度和极化方向。2

电子自旋探测仪闪烁探测器是主要由闪烁体、光导、光电倍增管以及相应的电子学系统构成的辐射探测器。只有在高能量响应的区域是接近线性关系；这种发射出来的突出的光束必须与印记的光引向相协调，这样才能使脉冲增大。获得大幅度的光脉冲，应与光电倍增管的光电倍增管相匹配的闪光灯发射光谱的光谱响应;最后，闪光灯的性能稳定，这是小的长期。闪光的应用主要有:有机和无机。从物理形态分为为固体，液体过液体，气体的不稳定形态，还有其他不常见的形态。闪烁体最重要的特性是发光效率和能量分辨，这些都是由闪烁体本身决定。在闪光灯中带电粒子的能量响应曲线，也被称为能量响应和能量分辨率，闪光的能量响应并不是完全线性的，自旋极化的电子的能量分辨曲线是基本线性的光电效应，二次元电子射流仪器，和带有敏感度的真空元件所构成的光配增管。在弱光检测的有力工具之一，它是弱燃烧闪烁的光进入光，再经过多次倍频输出有用信号。其优点是：高灵敏度、低噪声、快速响应和高倍率。因此光电倍增管在物理、生物、医学、气象以及宇宙等科学技术的各个领域都有广泛应用，主要用以诊断相关的物理、化学过程。一般光电倍增管有两个重要属性，反应了光电倍增管的灵敏度和入射波长的关系:不同材料的光阴极有不同的响应范围。乘法与控制电压的关系:在相同条件下，控制电压越高，增殖率越高，输出信号越大。3

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学