磁辅助自旋分辨电子衍射:自旋布居的相干控制与空间滤波

纳米光栅电子衍射为自由电子干涉测量提供了平台,然而在此类结构中电子自旋的可控操纵仍鲜有研究。特别值得注意的是,由电子运动产生的自生磁场作用,以及在不破坏衍射相干性前提下实现自旋相干控制的可行性,尚未得到定量研究。本文建立了自洽的麦克斯韦-泡利理论框架,用于研究磁场环境下纳米光栅的自旋分辨电子衍射。该模型综合考量了几何约束、镜像电荷相互作用、自生静磁场及外加磁场等因素。数值模拟表明,由电子概率流产生的本征自生磁场强度过低(低数个数量级),无法引发可测量的自旋混合,证实纳米光栅在无外场条件下可作为自旋守恒的分束器。当在纳米光栅上游施加均匀磁场时,拉莫尔进动能实现可控自旋旋转,且不改变衍射几何结构或降低相干性。实现π自旋旋转所需的磁场强度与相互作用长度及电子德布罗意波长λdB成反比。此外,在纳米光栅下游施加非均匀磁场会产生空间变化的塞曼相位,使两种自旋分量产生相反的横向动量偏移。通过胡西米Q函数相空间映射分析了自旋相关的横向动力学过程,直观呈现了自旋相关的粒子数重分布与动量分离现象。该工作提出的方法实现了自旋分辨自由电子束的可调空间分离,为自旋相干旋转、控制及干涉测量建立了全磁学调控路径。

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提交arXiv: 2026-02-17 14:43

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