Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

Während der letzten Jahre wurde für Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erhöhter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für spinaufgelöste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfläche erhalten bleibt. Frühere Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfläche [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel größeren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel längere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfläche im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-“Landschaft” der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivität I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30◦ - 60◦ Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsauflösenden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und großem Gütefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 · I/I0. Diese Regionen eröffnen einen Weg für eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik für die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfläche in Bezug auf längere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgelösten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45◦ Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10× größerer Gütefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute Übereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])

Recently, spin-filter detectors made a prominent step forward towards strongly increased efficiency meeting the needs of modern electron spectrometers and momentum microscopes. In this thesis previous work on the novel imaging spin-filter technique that can transport a full image by making use of k-parallel conservation in low-energy electron diffraction based on specular reflection from W(001) [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011], was extended to a much larger parameter space for W(001) and to the new Ir(001) system, which shows a much longer lifetime of the prepared crystal surface in UHV than the W(001) surface. The scattering energy and angle of incidence landscape of the spin sensitivity S, and reflectivity I/I0 of spin-polarized primary electrons was measured in the regionrnof 13.7 - 36.7 eV scattering energy and 30◦ − 60◦ scattering angle. The setup includes a spin-polarized GaAs electron source and a rotatable delayline detector for spatially-resolving detection of the scattered electrons. The results identify several regions of high asymmetry and large figure of merit. The latter is defined as S2 · I/I0. These regions open a path for a substantial improvement of the multichannel spinfilter for electron spectroscopy and momentum microscopy with optimal performance. Searching for a longer “lifetime” in UHV combined with a high analyzing power as spin polarimeter we found the Ir(001) single crystal surface being promising. The novel detector was placed behind a dispersive electron energy analyzer and has been used in a time-resolved experiment in the femtosecond region at the free electron laser FLASH at DESY. For 45◦ scattering angle a good working point appears at 39 eV scattering energy revealing a broad asymmetry maximum of 5 eV usable width. A second one at about 10 eV exhibits a narrower profile < 1 eV but much longer figure of merit. The Ir surface showed a stable efficiency for a full measurement day. The asymmetry function reaches values of 70 % which considerably reduces the significance of spurious asymmetries. The resulting measurements and energy-angular landscape show rather good agreement with theory (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al., 2012]).