AR-NE1B　円偏光軟X線分光ステーション

担当者：　小出　常晴
5673(PHS:4208)
tsuneharu.koide@kek.jp

１．概　　要

　AR-NE1Bは，PF-ARリングに設置されている楕円多極ウィグラーEMPW#NE1のヘリカルアンジュレーター（HU）モードと楕円アンジュレーター（EU）モードで得られる円偏光、および楕円偏光軟Ｘ線を利用するステーションである。HUモードではアンジュレーターの基本波で0.25-1.3keV，EUモードでは基本波と３次高調波で0.1-3.3keVのエネルギーをカバーする。本ステーション専用の永久磁石型XMCD装置を利用することにより，強・フェリ磁性体の3d遷移金属L2,3内殻吸収や、希土類金属M4,5内殻吸収のXMCD測定等が可能である。

２．性　　能

光学系 図１及び図２を参照
エネルギー領域 250 eV-1.5 keV（分光器の実質上の利用範囲）
分解能 最高でE/ΔE〜5000（入口と出口スリット=10μm，E=400eV．図３参照）
円偏光度PC≦92％（第１ハーモニックピーク位置で最高）
ビームサイズ〜0.8mm(H)×0.2mm(V)
ビーム強度 アンジュレータースペクトルは図４参照（分光器の入口・出口スリット=４０μm）



図１．NE-1Bの分光光学系配置 [1]。分光器は逆Vodar 型の縦分散球面回折格子分光器である。

 

図２．AR-NE1B 円偏光軟X線分光ステーションの分光器、後置鏡、及びメッシュモニター槽
（中央左奥から右斜下へ）。




図３．N2のN 1s→π*吸収スペクトル。回折格子は1200本／mmで入口スリットと出口スリットの巾はともに10μm。
　　　これより最高分解能がE/ΔE〜5000と見積られる1）。



図４.　典型的なヘリカルアンジュレータースペクトル。基本波エネルギーが〜860 eVの場合。

 

３．実験装置等

永久磁石型吸収MCXD測定装置（図５）
この装置は，永久磁石を用いて磁場の向きを反転させながら，光吸収又は光電子全収量MCXD測定を行うことを目的とする。


真空度： 〜(5-8)×10-10 Torr
磁場の強さ： 1.06 Tesla
磁場スイッチング時間： 最速で約３秒
検出法： 光電子増倍管（R515）による光吸収および光電子全収量の測定が可能である。
試料操作： エアロックによる試料または試料基板の交換が可能である。試料表面はヤスリがけが可能である。
試料温度： ヘリウム循環型冷凍機とヒーターの組合せにて、〜２０K−３００Kの温度範囲で測定が可能である。
その他： 試料マウント用基板は高精度に作られているので，それらのとりつけ方法などの詳細については担当者と相談して頂きたい。
計測システム： LabVIEWシステム

 

図５．上流側から見たXMCD測定装置

 

４．その他

　本節では、AR-NE1Bステーションでの軟Ｘ線円偏光とＸＭＣＤ測定装置を利用した、代表的な研究例を提示する。

４.１ Co/Pt 磁性人工格子のCo L2,3 内殻ＸＭＣＤ
　Co/Pt 磁性人工格子は、Co 層が薄くなると垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を示すことが知られている。ＰＭＡの起源を解明するために、ＸＭＣＤ実験が行われた。 図６はPt 層厚（7.5 MＬ）を固定し、Co 層厚を変化させたCo(tCo ML)/Pt(7.5 ML) 磁性人工格子(1.5 ≤ tCo ≤ 29 ML)の、偏光依存Co L2,3 内殻XASとCo L2,3 内殻XMCD[２]を示す。図にはtCo＝3.5 MLと15 MLの結果だけを示してある。細い実線で示した２段ステップバックグラウンドを差し引き、XASとXMCDの積分が実行された。

　XMCD軌道総和則を適用して面直軌道磁気モーメント(m⊥orb)を求めた結果を図７に示す[２]。m⊥orb(tCo)は、tCo = 6-8 MLで極小値を取り、tCoがそれより減少すると急激に増大し、tCoがそれより増加するとゆっくり増大する。実験データは単純な一本の1/tCo則に全く合わない。この不思議な結果は従来のXMCD研究で観測されなかった。このパズルの解答は、図７の挿入図に示される。即ち、tCo ≤ 7 ML におけるm⊥orbの急激な増大は界面Co原子１層程度で生じており、tCo = 6-8 MLでfcc Co→hcp Co 構造相転移が起こる、という最も単純なモデルで良く再現される（図７の太実線）。ここにバルクCoに対して、morb(fcc Co) < morb(hcp Co)とした。フィッティングよりΔm⊥orb(界面Co)＝0.064μB/Co, morb(fcc Co)＝0.110μB/Co, morb(hcp Co)＝0.148μB/Co が得られた。この結果と他の円偏光ビームラインでのVUV域XMCDと合わせて、Δm⊥orb(tCo(界面Co)がＰＭＡを生じさせるが、Δm⊥orb(tCo(界面Co)は界面での3d-5d起動混成に起源があることが示された。

 

図6. (a) Co(tCo ML)/Pt(7.5 ML) 磁性人工格子のtCo＝3.5 MLと15 MLに対する光子ヘリシティ依存Co L2,3 内殻XAS。細い実線はXASのバックグラウンドを示す。 (b) XASにおける820 eV 以上のエッジジャンプで規格化したCo L2,3 内殻XMCD (文献[2]より)。

図7. XMCD軌道総和則を用いて、図３のXMCDとXASスペクトルから決定した面垂直方向のCo 軌道磁気モーメントのtCo依存性。 実線は挿入図のモデルに基づいたデータフィッティングを表す。破線は全てのCo 層がfcc と仮定した場合の外挿を示す（文献[2]より）。

 


４.２　ペロブスカイト型Mn酸化物のMn L2,3 内殻ＸＭＣＤ
　R1-xAxMnO3(R = La, Pr, Nd; A = Ca, Sr, Ba)で表されるペロブスカイト型Mn酸化物は、巨大磁気抵抗効果、電荷・軌道整列、強磁性金属/反強磁性絶縁体転移などのバラエティーに富んだ物性を示す。これらの現象の起源を明らかにするために、正孔濃度を0 ≤ x ≤ 0.8の広範囲に渡って変化させたLa1-xSrxMnO3+δのMn L2,3 内殻及びO K 内殻ＸＭＣＤが、詳細に研究された[３]。図８(a)-(f) にB = ±2 Tの磁場で測定したMn L2,3 内殻XASとＸＭＣＤの結果を示す。図８(b)(d)(f) の破線はXMCDのエネルギー積分である。次の点が注目される：(i) 反強磁性相と言われていたLaMnO3とLa0.2Sr0.8MnO3において、強磁性相の1/7〜1/10程度の明瞭なXMCDが観測された,(ii) Mn L2,3 内殻ＸＭＣＤは強磁性金属相と強磁性絶縁体相で大差がない、(iii) LaMnO3にわずか６％の過剰酸素導入により、大きなXMCDを示す強磁性絶縁体相が現われ、これは酸素原子がこの物質の磁性に大きく影響することを強く示唆する。 (i) は、２種類の格子歪みに起因するDzyaloshinsky-Moriya 相互作用が働くため、ｃ軸に残った非常に小さい弱強磁性成分の検出を示し、Solovyevの理論的予言を初めて実証した。図８の結果にXMCD軌道総和則と角度平均スピン総和則を適用して、mspin(Mn)とmorb(Mn)のｘ依存性が定量的に調べられた。さらに、ＯK 内殻ＸＭＣＤの結果も一緒に考慮して、この系の磁気モーメント、格子歪み、軌道混成の密接な関連が示された[３]。
　

 

図8.　
(a) (c) (e) 光子ヘリシティ依存のMn L2,3 XAS スペクトル：
(a) 反強磁性絶縁体LaMnO3,
(c) 強磁性金属La1-xSrxMnO3 (x = 0.3),
(f) 反強磁性金属La0.2Sr0.8MnO3。

(b) (d) (f) Mn L2,3 XMCDスペクトル（実線）とそのエネルギー積分（破線）：
(b) LaMnO3,
(d) La1-xSrxMnO3＋δ,
(f) La0.2Sr0.8MnO3。全てのスペクトルでＢ＝±２Ｔ。
図(a) と(b) だけＴ＝100.0 Kでそれ以外は全てＴ＝２０Ｋ（文献[3]より）。


 


５．その他

・後置鏡：最下流の平面鏡で出射ビームの方向を調整できる。
・入射光強度モニター：後置鏡（M6）からの光電子イールド、及び後置鏡の直後にある金メッシュから生ずる光電子イールドを測定する。 アンジュレータースペクトルの確認にはM6光電子イールドが、XMCD実験のモニターには金メッシュのイールドを用いる。
・ビームラインの高さ：1200mm（但し±20mm程度の調整範囲が必要）
・出射フランジの大きさ：ICF070
・取扱説明書：A3一枚のマニュアル（クリアファイル入り）およびA4数枚の詳しいビームライン使用マニュアルが備え付けられている。

 

6. 参考文献

  1. Y. Kagoshima, T. Miyahara, S. Yamamoto, H. Kitamura, S. Muto, S.-Y. Park and J. Wang, Rev. Sci. Instrum. 66, 1696 (1995).

  2. N. Nakajima, T. Koide, T. Shidara, H. Miyauchi, H. Fukutani, A. Fujimori, K. Iio, T. Katayama, M. Nyvlt,
    and Y. Suzuki, Phys. Rev. Lett. 81, 5229 (1998).

  3. T. Koide, H. Miyauchi, J. Okamoto, T. Shidara, T. Sekine, T. Saitoh, A. Fujimori, H. Fukutani, M.Takano,
    and Y. Takeda、Phys. Rev. Lett. 87, 246404 (2001).

Last modified 2005-04-05