直流高電界電子銃による大電流・低エミッタンス・スピン偏極電子ビームの生成

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高輝度電子源の開発を行い、ビーム性能とビーム寿命性能について大幅な改善をもたらした。従来のスピン偏極フォトカソードは電子を生成する面からレーザー光を入射する必要があり、電子ビームの高輝度化は難しく装置も複雑であった。この問題を解決するため電子を生成するのと逆の面からレーザー光を入射できる新しいタイプのフォトカソードを開発した。この方式をとることで新たに開発した電子源ではビームサイズを生成面で2μm程度まで絞ることに成功し、その結果、電圧20kVにおいて1x10^7Acm^<-2>sr^<-1>という輝度を得、従来のスピン偏極電子源の値を4桁向上させることに成功した。この時、最大電流密度5.1A/mm^2,角電流密度248mA/srであり、量子効率が1/eに低下するまでのビーム寿命は、1.8x10^8C/cm^2であった。また、偏極度においても従来のフォトカソードとほぼ等しい90%を達成した。高いスピン偏極度をえるためにはフォトカソードの結晶に加える歪みの方向が重要であることを新たに解き明かした。偏極電子フォトカソードは基盤層の上にバッファ層を成長し、さらにこの上に偏極電子を生成するための活性層を約100nm程度成長させることで作製される。従来のスピン偏極フォトカソードではバッファ層の格子定数を基盤層や活性層より小さくしバッファ層に引っ張り歪みを加えていた。開発中のフォトカソードではレーザー光の入射方向を逆とするため結晶の基盤材料のみをGaAsからGaPに変更したが、このフォトカソードからは期待される偏極度は得られなかった。この事実について我々は2つの基盤材料の格子定数の違いに注目した。GaAsの格子定数はバッファ層であるGaAsPより大きいが、GaPは逆に小さいためバッファ層に加わる歪みの向きが圧縮となってしまうのである。そこで我々はさらにフォトカソードの基盤層とバッファ層の間に格子定数を調整するための中間層を加えバッファ層に加わる歪みの方向を従来と同じ引っ張り方向にし、最終的に従来と同じく高いスピン偏極度を得ることに成功した。この一連の開発研究は、偏極電子生成機構を理解する上で我々に新たな知見をもたらした。これは今後、様々な材料を用いて偏極電子源を開発する際に重要な指針となる。