自旋旋转装置

摘要

本发明涉及一种自旋极化装置，其在期望的方向内旋转自旋极化电子束流，该自旋极化电子束流被从电子枪放电出或者被反射到样品上，该自旋极化装置通过进一步简化自旋旋转器的结构使得整个激发系统因此更加简洁。一种自旋旋转装置包括：第一聚光镜，其聚焦电子束流，该电子束流从电子枪放电出或者反射到样品上；自旋旋转器，其包括具有一个点的多级柱，电子束被第一聚光镜在透镜中心或者透镜中心附近聚焦到该点，并且该多极柱能够产生电场和磁场；Wien条件产生器，其使用满足Wien条件的公式表示的电压和电流，以旋转电子束流到期望的角度并且使得电子束流直接朝向组成自旋旋转器的多极柱前进；以及第二聚光镜，其将被自旋旋转器旋转自旋的电子束流聚焦。

权利要求

1.一种自旋旋转装置，其配置以在期望的方向内旋转自旋极化电子束流,该自旋极化电子束流被从电子枪放电出,或者被放电出、反射到或者穿过样品，其中该自旋旋转装置包括：第一聚光镜，其聚焦电子束流，该电子束流从电子枪放电出，或者被放电出或反射到样品；

自旋旋转器，其包括具有一个点的多极柱，电子束被第一聚光镜在透镜中心或者透镜中心附近聚焦到该点，并且该多极柱能够产生电场和磁场，且其中所述多极柱的极柱数目被设置为不包含4极的4的整数倍数；

电压电流发生装置，其使用满足Wien条件的以下公式表示的电压和电流，以旋转电子束流到期望的角度并且使得电子束流直接朝向组成自旋旋转器的多极柱前进；以及第二聚光镜，其将被自旋旋转器旋转自旋的电子束流聚焦；

V1(n)＝V1Cos(θ0+nθ+α)

N1(n)＝N1Sin(θ0+nθ+α)；

式中，n是极柱的个数，V1(n)和N1(n)分别表示第n个极柱的电压和电流，V1和N1表示满足Wien条件的均匀场的电压和电流，θ0表示第一极柱与水平方向的角度，θ表示根据多极柱的极柱数目确定的角度，其通过360°/极柱数目得到，并且α表示自旋的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的自旋旋转装置，其中至少一个用于修正象散的四极柱电场以及四极柱磁场应用到该多极柱。

3.根据权利要求1或2所述的自旋旋转装置，其中组成多极柱的磁场极柱被分成内侧和外侧，并且在内极柱和外极柱之间形成真空防护隔墙，并且线圈被环绕到外极柱。

4.根据权利要求3所述的自旋旋转装置，其中极柱在真空防护隔墙内侧上的长度被设置为大于等于4倍电子束流穿过的中心部分的圈的直径，从而由于电极柱和磁极柱形状不同而产生的Wien条件的差别被减小。

5.根据权利要求1或2所述的自旋旋转装置，其中使电子束流自旋的旋转角度向垂直于该电子束流前进方向Z的XY平面偏转，并且在XY平面内向任意方向偏转。

6.根据权利要求1或2所述的自旋旋转装置，其中该样品是磁体样品或者拓扑绝缘体。

说明书

自旋旋转装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种自旋旋转装置，其用于将从电子枪发射出的自旋极化电子以发射自旋极化电子、来自磁体样本的自旋反射电子、从拓扑绝缘体（topological insulating body）或者类似物的表面发射的自旋极化电子输入到莫特探测器到一种状态中，其中电子的自旋方向与电子前进方向一致或者电子的自旋方向与磁体的磁化方向一致以用于磁体的磁畴结构的观测。

背景技术

[0002] 常规地，假设电子在Z轴前进，自旋旋转器需要包括两种旋转装置，其包括，电子束流前进方向Z的平面内的旋转装置以及包括垂直于该平面的XY平面内的旋转装置。对于后一种装置，尽管已经存在提供了机械旋转样品或者探测器的装置的情况，Duben等提出了使用轴对称磁场透镜，并且公开在非专利文献1中的方法，已经被广泛使用。

[0003] 以下，现有技术中的该方法通过附图12到16显示的示例图一起说明。

[0004] 附图12是该自旋旋转器在剖面视图内画出的磁势分布图，其中入射到自旋旋转器上的电子束流轨迹与放置在自旋旋转器后的聚光镜系统（CL2，CL3）一起显示。

[0005] 作为在包括Z轴的平面内旋转电子束流的自旋旋转器，已知Duden等文章中公开的，其中90°电场偏转器和90°磁场偏转器互相重叠。附图13（a）显示了基于与附图12同样的原理建造的90°偏转型自旋旋转装置，都具有在自旋旋转装置前后部的圆透镜装置。当自旋方向等于电子前进方向时，通过只使用电场实施90°偏转，如图13（b）所示，电子的前进方向旋转90°，尽管放电出的束流的自旋方向没有改变，并且因此，自旋方向与电子前进的方向具有90°的倾角。当只是使用磁场实施电子束流的90°偏转时，自旋沿着电子旋转方向的转动如图13（c） 所示，并且因此，自旋方向等于电子的前进方向，即使在90°偏转以后。通过同时使用电场和磁场到电子束流上实施90°旋转，自旋的方向可以取
0°到90°之间的值。

[0006] 在上述类型的装置的情况下，通常需要将电子束流旋转90°。取决于装置，然而，可能存在不希望旋转90°的情况。其是，存在只希望旋转自旋同时保持电子直线前进的情况。为了满足该需求，已知存在使用维纳（Wien）滤波器的方法，如非专利文献2公开的。

[0007] 图14显示了Wien滤波器类型的自旋旋转器的一个例子，其中自旋旋转器夹在圆透镜之间。图14同样显示了电场和磁场关闭时电子的运行轨迹的模拟情况，以及在自旋旋转90°的条件下电子运行轨迹的模拟情况。

[0008] Wien滤波器采用了与90°偏转型自旋旋转器同样的原理，并且因此，应用到电子束流的电场和磁场是与90°偏转型自旋旋转器同样的重叠的方式。然而，Wien滤波器与90°偏转型自旋旋转器不同之处在于电压和电流方向被设置使得电场产生的电子偏转方向和磁场产生的电子偏转方向互相相反。在90°偏转型自旋旋转器中，电压以及电流被设置使得电场产生的电子偏转方向和磁场产生的电子偏转方向变成相同。

[0009] 在Wien滤波器中，电场产生的电子偏转方向和磁场产生的电子偏转方向变成互相相反，并且同时，电场强度和磁场强度被设置为使得电场产生的电子偏转强度和磁场产生的电子偏转强度总是相同，从而电子束流直线前进。这种使得电子束流直线前进的条件被称为Wien条件，并且Wien条件表达为E1=vB1。E1,B1和v分别是均匀电场强度，均匀磁场强度以及电子速度。自旋只被磁场旋转以及自旋强度表示如下：

[0010] 拉莫尔（Larmor）进动频率：ω=eB/m

[0011] 旋转角：α=Lω/v=LeB1/mv L：滤波器长度

[0012] 这里，代入Wien条件E1=vB1以及速度平方v2=3eUo/m到α=Lω/v=LeB1/mv中，旋转角表示为α=LE1/2Uo.

[0013] 为了将电场的值E1转化到产生电场值E1的电极柱电压V1，电极柱电压V1通过下式表示：V1=E1R，R：在中心的圆极柱半径。假设α=π/2(90°),Uo=20,000V,R=5mm,L=80mm，电极柱电压通过下式获得：V1=2×20,000×5π/2×80=3926.69V。磁场通过上述Wien条件获得。

[0014] 当使用Wien滤波器时，需要将电场和磁场条件满足Wien条件，用于使电子束流直线前进。从而，为了调整电子束流的不同旋转角度，通过与90°偏转器一样的组合电场和磁场的方式设置旋转角度的技术不能使用。因此，自旋旋转角度通过调节磁场值确定。考虑上述情况，如图14所示，在Wien滤波器前部设置透镜条件，从而电子束流被聚焦到Wien滤波器中心。由于这样设置透镜条件，如图13下部所示，即使通过应用电场和磁场到电子束流旋转自旋，在后续部上的透镜条件不会有大的偏移，并且因此，可以减小聚光镜的再次调节并且能够自旋转自旋。

[0015] 非专利文献1：T.Duden,E.Bauer,一种简洁的电子－自旋－极化操控器，Rev.Sci.Instrum66(4)1995,2861-2864

[0016] 非 专 利 文 献 2，T.Kohashi,M.Konoto,K.Kike J-Electorn Microscopy59(1)(2010)43-52.

[0017] 非专利文献3：T.T.tang,Optik74(1986)51-56.

发明内容

[0018] 技术问题

[0019] 如同上述所示，自旋旋转需要两种旋转，其包括，电子束流前进方向Z的平面内的旋转以及包括垂直于该平面的XY平面内的旋转。需要提供额外的圆透镜用于聚焦电子束流到对应各种情况的装置的中心平面上，需要提供4种光学元件，由圆透镜、包括Z轴平面的平面旋转器、圆透镜以及XY平面旋转器组成。图15种示出了包括Wien滤波器型旋转器的自旋旋转装置的情况，同时图16示出了包括90°偏移自旋旋转器以及由磁场型透镜形成的平面旋转器的自旋旋转装置。

[0020] 除了这些装置，常规的LEEM需要的聚光镜系统也是必要的。这种方式中，从电子枪到样本的电子束流激发系统具有缺点，即该系统会变得很大。

[0021] 在这样的背景下，存在通过简化自旋旋转器将整个激发系统变得简洁的需求。

[0022] 问题的解决

[0023] 为了克服这些缺点，本发明提供了一种自旋旋转装置，其用于在期望的方向内旋转自旋极化电子束流,该自旋极化电子束流被从电子枪放电出,或者被放电出、反射到或者穿过样品，其中该自旋旋转装置包括：第一聚光镜，其聚焦电子束流，该电子束流从电子枪放电出，或者被放电出或反射到样品；自旋旋转器，其包括具有一个点的多极柱，电子束被第一聚光镜在透镜中心或者透镜中心附近聚焦到该点，并且该多极柱能够产生电场和磁场；

[0024] Wien条件产生器，其使用以下满足Wien条件的公式表示的电压和电流，以旋转电子束流到期望的角度并且使得电子束流直接朝向组成自旋旋转器的多极柱前进；以及第二聚光镜，其将被自旋旋转器旋转自旋的电子束流聚焦。

[0025] V1(n)=V1Cos(θ0+nθ+α)

[0026] N1(n)=N1Sin(θ0+nθ+α)

[0027] 这里，n是极柱的个数，V1(n)和N1（n）分别是第n个极柱的电压和电流，V1和N1是满足Wien条件的均匀场的电压和电流，θ0是第一极柱与水平方向的角度，θ是根据多极柱的极柱数目确定的角度，其通过360°/极柱数目得到，并且α表示自旋方向。

[0028] 这里，多极柱的极柱数目被设置为4的倍数。

[0029] 至少一个用于修正象散的四极柱电场以及四极柱磁场应用于该多极柱。

[0030] 组成多极柱的磁场极柱被分成内侧和外侧，并且在内极柱和外极柱之间形成真空防护隔墙，并且线圈环绕外极柱。

[0031] 极柱在真空防护隔墙内侧上的长度被设置于大于等于4倍电子束流穿过的中心部分的圈的直径，从而由于电极柱和磁极柱形状不同而产生的Wien条件的不同被减小。

[0032] 电子束流的自旋方向沿XY平面在垂直于电子束流前进方向Z的方向内被偏转，并且被偏转到XY平面的任意方向。

[0033] 样品是磁体样品或者拓扑绝缘体（topological insulating body）。

[0034] 本发明的优点

[0035] 根据本发明，能够实现一种装置，其包括第一聚光镜，包括能够产生电场和磁场的多极柱的自旋旋转器，Wien条件生成器以及第二聚光镜，并且能够使电子束流直线前进，并且该简单结构通过使电子束流直线前进以及在期望角度上旋转电子束流自旋，能够在任意方向内旋转电子束流的自旋。

具体实施方式

[0036] 对于Wien滤波器而言，通常使用的Wien滤波器中，电极柱被插入到图中未显示的电磁铁之间。然而，在这种情况下，电场以及磁场在边缘部分的分布表现出不是同样的形状，并且因此，Wien条件的偏移不可避免地发生在边缘部分，即使电压和电流已经调整到在中心部分满足Wien条件。因此，在1986年，提出了一种使用8个或者12个极柱制成的多极柱Wien滤波器，其中极柱由导磁体制作，该多极柱Wien滤波器能够使电场和磁场的分布均匀（非专利文献3）。

[0037] 在多极柱的情况下，分别对应于由8个或者12个极柱组成的形成电场的电极柱以及形成磁场的磁极柱，放置在X轴方向的极柱作为电极柱，并且放置在Y轴方向的极柱作为磁极柱。因此，电场以及磁场在边缘区域变得大约相同。对角线方向的场同时起电极柱以及磁极柱的作用。

[0038] 附图1显示了本发明的Wien滤波器的示例。

[0039] 图1（a）显示了十二极柱Wien滤波器的整个结构。Wien滤波器中心位置的12个楔形极柱是形成十二极柱的极柱1（电极柱以及磁极柱）。真空容器2被放置在极柱1外。真空容器2外部由用于形成磁场的磁极柱3以及磁连接各个磁极柱的轭4组成。在图中未显示的线圈5缠绕12个磁极柱3中的每一个。

[0040] 图1（b）显示了一个八极柱Wien滤波器。其中，未在图中显示的线圈缠绕真空容器内部的各个极柱1。可能存在如下情况，其中在极柱1的楔形外围附近可以形成切口，以保证用于缠绕的足够空间。当该多极柱Wien滤波器作为包括Z轴的平面内的自旋旋转器时，自旋下降的方向成为电场的X轴方向。电子束流，其自旋被偏转朝向中心轴，因此朝向垂直于图1（b）所示纸张方向的方向（Z轴）。更进一步，在图1（b）中，图中的真空管2可以形成为轭（具有多个极柱1的轭）并且轭2可以被存储在未在图中示出的真空管内。

[0041] 图2是用于示范本发明中自旋旋转的实施例。图中的自旋旋转器是具有图1所示结构的十二极柱Wien滤波器。图2中图示了在Wien滤波器内自旋旋转的方式，自旋被调节（调节磁场以及电场）使得从左侧入射的束流的自旋朝向Z轴方向（电子束流的前进方向），在其中一种模式中因此改变到向上方向（参见附图2（a）），在另外一种模式中改变到XY平面（垂直于Z轴）的水平方向（参见附图2（b））。

[0042] [旋转自旋的方法]

[0043] 然后，为了简要表达，下述实施方式是关于图1（b）所使用的八极柱Wien滤波器的一种情况。在图1（b）中产生电场的电极柱为左侧的极柱4和极柱5以及右侧的极柱1和极柱8。假设极柱5和极柱6替换极柱4和极柱5作为电极柱，并且极柱1和极柱2替换极柱1和极柱8作为电极柱，并且极柱3和极柱4替换极柱2和极柱3作为磁极柱，极柱7和极柱8替换极柱6和极柱7作为磁极柱，方向变为X轴，与起初的电场方向相比顺时针旋转45°，即电场方向。通过使用这个Wien滤波器旋转自旋，自旋下降的方向变成平面内
45°方向。通过同样的方式使用 下一个极柱，可以使自旋下降方向再旋转45°，因此，最终可以使自旋下降的方向变成平面内90°。

[0044] 尽管可以理解，可以使自旋下降方向朝向一个特定的极柱，但是其显现出来的，在附图1（b）八极柱的情况下，自旋一步只能旋转45°，在附图1（a）和附图2的情况下，自旋一步只能旋转30°。

[0045] 然而，根据本发明，自旋可以旋转任意角度，并且这个可以通过调整施加到八极柱或者十二极柱（进一步的，具有四极柱倍数极柱的多极柱）的电压或电流实现.其是，假设图1（b）中1－8极柱用n（n=1,2,3…8）表示，该电压和电流可以表达如下：

[0046] V1(n)=V1Cos(θ0+nθ+α)

[0047] N1(n)=N1Sin(θ0+nθ+α)

[0048] 其中，附图1（b）中八极柱的情况下，θ0是22.5°，θ是45°，并且n是1到8。α是旋转的目标角度。尽管当电极柱1被放置成如图1（b）所述的偏离水平方向时，θ0的值不为零；当电极柱1被放置在水平方向时，θ0的值为零。当θ0为零时，八极柱使用常规电压设置而没有旋转。

[0049] 附图3是用于解释本发明中自旋旋转的示例图（例2）。附图3显示了在十二极柱中，通过计算的得到的施加于各个极柱的对应于零度角（θ=0°）以及20°度角(θ=20°)的电压。其中，附图3显示了当V0被设置为100V时（V0=100v），施加到各个极柱1－12的电压示例。

[0050] 已知地，在八极柱滤波器中，极柱2，3，6，7的电压为极柱1，4，5，8的电压的(√2-1)倍。这是假设作为X方向。同样的电压施加到Y方向的位置情况对应于X方向的位置情况是旋转90°。为了同时施加X和Y，场被导向X和Y向量的合成，其是，在45°方向。

[0051] 附图4是本发明的自旋旋转的一个示例图（例3）。附图4显示了当场的方向旋转到X方向，其是0°方向，通过正弦－余弦方法(sin,cos法)获得的值； 当场的方向从X方向旋转45°；当自旋旋转到X方向，Y方向以及同时放置两个方向获得的45°角方向，通过上述向量合成方法获得的值；以及将45°角方向值除以√2获得的向量值。可以理解，尽管场被旋转0°的方向位置情况和场被旋转45°的方向位置情况通过正弦－余弦方法中可以一步相互转化，并且在向量合成方法中，通过将X和Y矢量的值相加的值乘以√2获得的值与X方向的一步转化获得的值一致。通过改变X与Y的比例，场的方向可以被旋转到除45°以外的角度。通过矢量相加改变均匀场方向的该方法已经被常规地用于产生一个偏移场。

[0052] 通过这种方法，可以使用正弦－余弦方法以及矢量相加法中的一种设置自旋的旋转方向。

[0053] 附图5是本发明的自旋旋转的示例图（例4）。图5显示了本发明电场方向以及磁场方向的一个示例。图5显示了一个实施例，其中在十二极柱情况下，电场方向和磁场方向被旋转以用于旋转电子束流自旋0°,20°40°。通过这种方式，可以将自旋旋转到一个小于极柱间隔的角度而没有任何问题。如同下述的，通过使用多极柱滤波器，旋转施加到电子束流的电场以及磁场的角度，自旋可以被旋转到等于使自旋下降的电场旋转的角度，并且可以使自旋直线向前。

[0054] 下面，在90°偏转器的情况下，当只使用电场使电子束流偏转90°时，显然朝向平行于光轴的自旋被被朝向垂直于光轴的方向。在Wien滤波器的情况下，当自旋旋转角度可以通过上述基于拉莫尔进动的公式获得，自旋旋转角度以及电子束流的聚焦之间的关系可以通过下述理解。

[0055] 尽管在Wien滤波器中电子束流直线向前,这只意味着通过磁场产生的旋转运动被电场返回到束流轴。对应的，自旋的旋转可以基于磁场产生的偏转角以及电子束流的聚焦条件之间的关系确定。已知地，在一维聚焦的情形中，其中只实施X方向的聚焦而没有实施Y方向的聚焦，必需用于通过磁场偏转器聚焦电子束流的旋转角度是180°。对应地，能够当安培匝数被调整到使得入射到Wien滤波器上的电子束流平行于滤波器时，从而电子束流聚焦到滤波器的出口，这种调整是旋转 自旋90°的情况。

[0056] [均匀场Wien滤波器的缺点以及额外的四极柱场]

[0057] 在上文中，已经解释了Wien滤波器中应用于均匀电场EI以及均匀磁场BI电子束流的情形。为了描述电子束流在这种情形下对应于XZ平面和YZ片面的轨迹，在图6（a）和图6（b）中分别显示了它们。假设当Wien滤波器被关闭时，电子束流是被外部透镜系统控制使得电子束流能够聚焦到Wien滤波器的中心平面。此处，在XZ平面，聚焦位置由于Wien滤波器的透镜作用从滤波器的中心前进到左侧。然而，在如图6（b）内的ZY平面内，没有Y方向（磁场方向）的透镜作用，并且因此电子束流的轨迹与Wien滤波器关闭时一样。因此，在X方向和Y方向的透镜条件不同。尽管对于图6中所示的情况其影响不是很严重，但是可以理解的，对于图7中所示的束流形状，聚焦的区别是严重的。图7（a）显示了在电子束流从滤波器放电出来80mm（Z＝80mm）的位置的束流形状，并且图7（b）显示了在滤波器中心（Z＝0mm）的束流形状。在电子束流从滤波器放电出来后，束流形状显示为椭圆形。在Z＝0的位置，电子束流被入射使得当没有滤波器时，电子束流在Y方向上为0，并且因此电子束流的大小实质上变为零。当电子束流成为具有强烈象散的电子束流时，在激发光学系统中很难使用Wien滤波器用于激发样本，并且因此，需要去除所示光学系统中的象散。

[0058] 考虑到上述影响，提供下述方法，其中通过添加四极柱电场给Wien滤波器本身以给予Y方向的电子束流聚焦行为，从而使得电子束流没有象散。下述公式是用于获取四极柱电场以形成没有象散的电子束流的计算公式，并且用于获取均匀场的公式与该公式一起描述。V(n)=V1(n)+V2(n),Ni(n)分别表示应用到第n个极柱的电压和电流，还有乘以该电流的线圈匝数。

[0059] E2=-El/4R (1)

[0060] R=L/(2)1/2π (2)

[0061] El=(2)3/2πU0/L (3)

[0062] E2=π2U0/L2 (4)

[0063] Vl=rE1 (5)

[0064] V2=r2E2 (6)

[0065] V(n)=V1(n)+V2(n) (7)

[0066] V1(n)=V1Cos(θ+α) (8)

[0067] V2(n)=V2Cos(2(θ+α)) (9)

[0068] E2=2(1+l/(2)1/2)πU0/L (10)

[0069] Bl=El/v (11)

[0070] NT=C1B1s/(μπ). (12)

[0071] NT(n)=NTSin(θ+α) (13)

[0072] 通过这种方式重叠四极柱电场，在Y方向内形成聚焦，并且因此，在从自旋旋转器中放电出的电子束流中的象散可以被移除。图8（a）显示了在电子束流从滤波器放电出来80mm（Z＝80mm）的位置的束流形状，并且图8（b）显示了在滤波器中心（Z＝0mm）的束流形状。图9示出了电子在ZX平面以及ZY的轨迹。在这种情况下，实际操作中，电压V（n）表示为V(n)=V1(n)+CV2(n)，其中V2（n）被乘以一个系数C。在图8中，C被设置为0.875(C=0.875)。真实值小于计算得到的四极柱电场的值的原因是边缘场的作用。

[0073] 在上述说明中，其说明了当使用均匀场时，Y方向没有聚焦。在实际操作中，Y方向有轻微的聚焦。这是由于边缘场作用导致的，并且已知边缘场具有圆透镜的作用。对应地，在Y方向内，已经说明的透镜作用达到12.5％。在实际操作中，滤波器的长度越短，圆透镜作用对应比例地增大，并且因此，这个系数的值变得更小。

[0074] 图10是本发明的自旋旋转的另一个示例图（例9）。图10示出了透镜激发系统，其包括被设置于Wien型全向自旋旋转器前部的入射透镜（用于聚焦到 旋转器中心（透镜中心）的透镜）；以及在旋转器后续位置的聚光镜（用于聚焦旋转器中心（透镜中心）到被激发的样品或者类似物平面的透镜）。尽管在图中只显示了一个后续位置的聚光镜，通过在大于一个位置增加聚光镜能够提供控制更宽的激发范围的激发透镜系统。

[0075] 通过增加四极柱电场实现没有象散的过程中，增加四极柱电场从而使得电子束流在Y方向内聚焦。然而，与聚焦Y方向相反，四极柱电场具有X方向内的分散作用。因此，可以理解上述公式中，安培匝数增加到√(2)倍。这时，通过增加聚焦安培匝数施加到自旋旋转角上的影响被考虑进去。在磁场偏转器中，在其上实施聚焦而没有象散的旋转角角度增加到254°。因此，为了找到自旋旋转90°的条件，需要找到一个一种条件，在其中聚焦实施时，入射的平行束流处于一种状态，其中四极柱电场没有施加到电子束流上。

[0076] 下面，说明真实装置必不可少的问题。

[0077] [对应于超真空的测量]

[0078] 图11是本发明的自旋旋转的一个示例图（例10）。图11显示了依据本发明的Wien滤波器的例子。作为自旋旋转器的Wien滤波器经常用于超真空中，因此，与附图1一起说明，需要设置线圈用于产生真空外的磁场。附图11中显示的例子采用了下述结构，其中各个极柱被分割为内极柱和外极柱，并且由真空管2构成的管（非磁性）被插入到内极柱和外极柱之间。照例，需要提供各个内极柱1和真空管之间的绝缘体从而各个内极柱1之间互相电绝缘。这种结构的一个缺点在于真空管是由金属构成的，并且因此，尽管多极柱电极场只在真空管内部形成，磁线圈被缠绕到真空管外的极柱3从而多极柱磁场延伸到真空管的外部，由此组成电场各个极柱的长度与组成磁场的各个极柱的长度相互不同。然而本发明的发明人，发现通过使真空管具有的长度4倍于电场或者磁场产生的空间或者缺口的直径，电极柱以及磁极柱的长度区别不会导致实质上的问题。

[0079] 图6（a）和图9（a）分别显示了XZ平面上电子轨迹。当由于电极柱 和磁极柱形状的不同而没有建立Wien条件时，轨迹在中间位置弯曲因此不形成直线光轴。然而，如这些图所述，光轴被保持直线，可以发现由于电极柱和磁极柱长度不同导致的问题已经被克服。

[0080] [电子束流的自旋方向在一个垂直于初始状态中电子束流前进方向的平面内的情况]

[0081] 至此，说明了该装置，其中具有平行于前进方向Z的自旋方向的电子束流被偏转90°，并且在XY平面内垂直于束流前进方向的自旋被下降的方向在此时可以自由选择。

[0082] 然而，在真空中自旋极化电子的放电不限定于这样一种情况，并且可能存在在XY平面内特定方向前进的电子束流被放电。在这种情况下，朝向Z方向内的自旋旋转方向的自旋旋转能够通过上述方法偏转电子束流90°而实现。在这种情况下，不需要考虑XY平面内角度从而可以期望任何XY平面内的角度。

[0083] 考虑这样一种情况，其中自旋朝向XY平面内，自旋在XY平面内被旋转到不同于初始自旋的方向。在这种情况下，自旋旋转被设置为使得自旋旋转上述电场和磁场中的旋转值，其为90°，的两倍，即自旋旋转180°。由八极柱形成的电场和磁场分别被设置使得XY平面内的自旋角度对应于示例中自旋最终朝向的位置。由于这样的结构，自旋旋转90°使得在其朝向第一个半圈旋转中的Z方向内。然后，在下一个半圈旋转中，自旋被从上述Z方向再次朝向ZY平面内。在这种情况下，XY平面内的角度被朝向所指定角度的方向内。

[0084] 在这种方式中，当初始自旋方向在Z方向内时，通过设置90°的旋转角度，以及当初始自旋方向在XY平面内时，通过设置180°的旋转角度，本发明的装置能够处理这两种情况。自然地，在这两种情况之间的角度情形时，可以设置一个中间值。因此，本发明的装置可以将自旋朝向任何方向。

附图说明

[0085] 图1：本发明的Wien滤波器的示例。

[0086] 图2：本发明的自旋旋转的示例图（例1）。

[0087] 图3：本发明的自旋旋转的示例图（例2）。

[0088] 图4：本发明的自旋旋转的示例图（例3）。

[0089] 图5：本发明的自旋旋转的示例图（例4）。

[0090] 图6：本发明的自旋旋转的示例图（例5）。

[0091] 图7：本发明的自旋旋转的示例图（例6）。

[0092] 图8：本发明的自旋旋转的示例图（例7）。

[0093] 图9：本发明的自旋旋转的示例图（例8）。

[0094] 图10：本发明的自旋旋转的示例图（例9）。

[0095] 图11：本发明的自旋旋转的示例图（例10）。

[0096] 图12：现有技术的示例图（例1）

[0097] 图13：现有技术的示例图（例2）

[0098] 图14：现有技术的示例图（例3）

[0099] 图15：现有技术的示例图（例4）

[0100] 图16：现有技术的示例图（例5）

[0101] 附图标记

[0102] 1:极柱（电极柱和磁极柱）

[0103] 2:真空管（轭）

[0104] 3:磁极柱

[0105] 4:轭