Doktorarbeit_Mairoser.pdf - OPUS - Universität Augsburg

3. Untersuchung magnetischer Eigenschaften mittels Neutronen-Reflektometrie
Die ersten beiden Matrixelemente beschreiben die Spin-Erhaltende-Streuung, während
die beiden anderen die Spin-Flip-Streuung darstellen. Bei ersteren zeigen sich
sowohl für einen von Null verschiedenen Kernspin als auch beim Vorhandensein magnetischer
Momente unterschiedliche Streuraten. Weiterhin ist ersichtlich, dass Spin-
Flip-Streuung nur auftritt, wenn das zu untersuchende Material eine zur Polarisationsrichtung
P des Neutronenstrahls senkrechte Komponente des Kernspins bzw. des
magnetischen Moments besitzt.
Zur Erzeugung polarisierter Neutronen stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung.
Im Folgenden werden zwei für die vorliegende Arbeit relevante vorgestellt:
• Polarisationsfilter auf 3 He-Basis: 3 He besitzt einen sehr stark unterschiedlichen
Einfangquerschnitt für verschieden polarisierte Neutronen. Dieser ergibt sich aus
der Tatsache, dass der Kern aus drei Nukleonen besteht und somit einen Kernspin
von 1 /2 besitzt. Durch den Einfang eines Neutrons der entsprechenden Spinrichtung
wird ein 4 He-Kern mit einem Kernspin von I = 0 erzeugt. Zur Füllung
eines 3 He-Polarisationsfilters wird 3 He unter niedrigen Drücken (p ∼ 1 mbar)
durch optisches Pumpen mit einem Laser polarisiert und anschließend verdichtet
(p ∼ 3 bar). Damit die Polarisation nicht verloren geht, sind der Transport
und die Lagerung in einem des Erdmagnetfeld übertreffenden konstanten Magnetfeld
nötig. Mit 3 He-Polarisationsfiltern lassen sich Polarisationsgrade von
bis zu 80 % erreichen [100].
• Superspiegel: Hierbei wird der sich für unterschiedlich polarisierte Neutronen
deutlich unterscheidende kritische Streuwinkel für die Reflexion an Fe/Si-Multilagen
ausgenutzt. Abbildung 3.4 zeigt die Reflektivität bzw. die Spinpolarisation
eines solchen Fe/Si-Superspiegels. Die Spin-Down-Neutronen werden ab einem
Impulsübertrag von ≈ 0,2 1 /nm komplett transmittiert, während dies bei den
Spin-Up-Neutronen erst ab ≈ 0,9 1 /nm der Fall ist. In diesem Bereich, der bei
einer Wellenlänge von 5 Å einem Winkelbereich von 0,46 ◦ − 1,1 ◦ entspricht, ist
der Neutronenstrahl zu annähernd 100 % polarisiert [100, 103].
Um alle vier möglichen Spin-Kombinationen aus Gleichung 3.14 zu realisieren, sind
weitere Komponenten nötig. Ist eines der beiden beschriebenen Systeme zur Spinpolarisation
im Strahlengang, erhält man nur eine Polarisationsrichtung des Neutronenstrahls.
Um den entgegengesetzt polarisierten Strahl zu erhalten, ist ein Spin-Flipper
nötig. Hierzu wird die Larmor-Präzession durch die plötzliche Änderung des externen
Magnetfelds ausgenutzt. Durch die richtige Wahl der Magnetfeldstärke im Spin-
Flipper kann ein Winkel von π für die Änderung der Spinrichtung erreicht werden.
Nach der Streuung an der Probe, bei der durch Spin-Erhaltende- bzw. Spin-Flip-
Streuung beide Spinrichtungen vorhanden sein können, sind zur Analyse nochmals
ein Spinpolarisator als Analysator und ein Spin-Flipper nötig.
Um die Polarisation eines Neutronenstrahls zu erhalten, ist ein Führungsfeld nötig,
das deutlich stärker sein muss als das Erdmagnetfeld sowie umgebende Magnetfelder.
Es muss weiterhin frei von Nulldurchgängen sein. Da die magnetische Flussdichte des
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