Ein neuartiges Interferometer zur Messung magneto-optischer Effekte an L-Absorptionskanten von ferromagnetischen Metallen mit linearpolarisierter Undulatorstrahlung

Am Mainzer Mikrotron MAMI wurde ein neuartiges Interferometer entwickelt und getestet, mit dem magneto-optische Effekte an dünnen, freitragenden Folien von 3d-Übergangsmetallen wie Eisen, Kobalt oder Nickel an den L_{2,3}-Absorptionskanten (im Spektralbereich der weichen Röntgenstrahlung) gemessen werden können. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung eines an MAMI erprobten Interferometers, das im wesentlichen aus einer kollinearen Anordnung zweier identischer Undulatoren, zwischen die die dünne Probefolie eingebracht wird, und einem Gitterspektrometer besteht. Aus den als Funktion des Abstands der Undulatoren beobachtbaren Intensitätsoszillation lassen sich das Dekrement des Realteils δ und der Absorptionskoeffizient β des komplexen Brechungsindex bestimmen.rnIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Apparatur derart weiterentwickelt, dass auch die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ und der magnetisch zirkulare Dichroismus Δβ an den L_{2,3}-Absorptionskanten von Übergangsmetallen gemessen werden können. Der zweite Undulator wurde um die Elektronenstrahlachse um den Winkel Ψ = ±107° drehbar gemacht. Damit dient er auch als Analysator der aus der Folie austretenden elliptisch polarisierten weichen Röntgenstrahlung, für die - wie bei der Faraday-Rotation - die Polarisationsebene gedreht ist. Weiterhin kann die Spaltbreite der 10-poligen Hybrid-Undulatoren mit einer Periodenlänge von 12 mm und damit der Undulatorparameter über eine Antriebsmechanik kontinuierlich variiert werden, wodurch eine optimale Anpassung der Amplituden der Undulatorstrahlung aus den beiden Undulatoren möglich wird. Der maximale Undulatorparameter beträgt K = 1.1. Auch das Spektrometer, das auf einem selbstfokussierenden Gitter mit variierter Liniendichte (im Mittel 1400 Linien / mm) basiert, wurde weiterentwickelt. Als Detektor kommt jetzt eine fensterlose CCD mit 1024 x 1024 Pixeln und einer Pixelgröße von 13 μm x 13 μm zum Einsatz, die im Bildmodus betrieben wird, was die gleichzeitige Messung eines Energieintervalls von ca. 50 eV ermöglicht. Die totale Linienbreite wurde bei einer vertikalen Strahlfleckausdehnung von σ_y = 70 μm (rms) am Neon 1s-3p Übergang bei (867.18 ±0.02) eV zu Δħω = (0.218 ±0.002) eV (FWHM) gemessen. Das hohe Auflösungsvermögen von 4000 und die Möglichkeit der Eichung gegen den 1s-3p Übergang von Neon wurden ausgenutzt, um die Energie der Maxima an den Absorptionskanten von Nickel (weiße Linien) neu zu bestimmen. Die Ergebnisse E_{L_2}=(869.65_{-0.16}^{+0.27}) eV und E_{L_3}=(852.37_{-0.11}^{+0.16}) eV stellen eine Verbesserung früherer Messungen dar, die große Streuungen aufwiesen.rnAus systematischen Messungen als Funktion des Abstandes der Undulatoren und des Drehwinkels Ψ wurden die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ im Energiebereich 834 eV ≤ ħω ≤ 885 eV an einer freitragenden, bis zur Sättigung magnetisierten Nickelfolie der Dicke von (96.4 ±2.7) nm gemessen. Sowohl das Auflösungsvermögen als auch die Genauigkeit der Messungen für Δδ übersteigen bekannte Literaturangaben signifikant, so dass eine bisher nicht bekannte Feinstruktur gefunden werden konnte. Außerdem wurde der Betrag des magnetisch zirkularen Dichroismus |Δβ| im Bereich des Maximums an der L_3-Absorptionskante mit hoher Genauigkeit gemessen.rn

A novel soft X-ray interferometer has been developed and tested at the Mainz Microtron MAMI with which magneto-optical effects at the L_{2,3}-absorption edges of transition metals like Fe, Co and Ni can be investigated. It is a follow-up version of a previously developed interferometer at MAMI which consisted essentially of a collinear arrangement of two identical undulators between a thin magnetized sample foil can be placed, and a grating spectrometer. If the relative distance between the undulators is varied, interference oscillations are observed which allow to determine the refractive index decrement δ, and the absorption coefficient β of the complex index of refraction of the sample foil.rnSeveral improvements of the interferometer were performed which enable now a measurement of the X-ray magnetic circular birefringence Δδ, as well as the X-ray magnetic circular dichroism Δβ at the L_{2,3}-absorption edges of transition metals. This goal was achieved by making the second undulator turnable around the electron beam axis in the angular range between Ψ = ±107°. This way it acts as an analyzer for the elliptically polarized soft X-rays emerging from the sample foil for which, as for the well known Faraday rotation, also the polarization plane is turned. In addition, the undulator parameter K can now be varied by changing the gap size of the 10-period hybrid undulators with a period length of 12 mm. This feature allows an online variation of both, the amplitudes and the energy of the emitted radiation. The maximum value of the undulator parameter amounts to K = 1.1. The radiation is monochromized by a grating with variable line density which amounts in the mean to 1400 lines/mm. A direct exposure windowless CCD chip with 1024 x 1024 pixels and a 13 μm x 13 μm pixel size serves as a detector with which an energy band of 50 eV can be covered. An energy resolution of the spectrometer of Δħω = (0.218 ±0.002) eV (FWHM) has been measured for the 1s-3p transition of neon at (867.18 ±0.02) eV. The vertical beam spot size was σ_y = 70 μm (rms). This high energy resolution ħω /Δħω = 4000 in combination with a precise energy calibration against the 1s-3p transition of neon allowed an improved energy determination for the maxima of the white lines at the nickel L-absorption edges. The results are E_{L_2}=(869.65_{-0.16}^{+0.27}) eV and E_{L_3}=(852.37_{-0.11}^{+0.16}) eV.rnBy a systematic variations of both, the relative undulator distance and the rotation angle Ψ, the magnetic circular birefringence Δδ was extracted from the observed interference oscillations for a fully magnetized thin self-supporting Ni foil of (96.4 ±2.7) nm thickness in the energy range between 834 eV and 885 eV. The improved energy resolution in combination with the improved statistical significance, in comparison with previous measurements, revealed an unknown fine structure in the spectrum. In addition, the absolute value of the magnetic circular dichroism |Δβ| was measured with high accuracy close to the maximum of the L_3-white line.rn