Investigation of spin polarization-shifts in electron beams produced by GaAs-based photocathodes under different surface activation conditions

Abstract

Diese Arbeit untersucht die Mechanismen, die die Elektronenspinpolarisation (ESP) von photoemittierten Elektronenstrahlen aus GaAs Photokathoden im Rahmen von Experimenten mit spinpolarisierten Elektronenstrahlen beeinflussen. Ziel ist es, die Beziehung zwischen Polarisation und Quanteneffizienz (QE) zu analysieren. Diese Erkenntnisse sind besonders relevant für hochpräzise Experimente zur Paritätsverletzung wie das P2 Experiment an der Mainzer Energierückgewinnenden Supraleitenden BeschleunigerAnlage (MESA), bei dem longitudinal polarisierte Elektronenstrahlen für die Untersuchung fundamentaler Wechselwirkungen von entscheidender Bedeutung sind. Die Emission spinpolarisierter Elektronen aus GaAs Photokathoden wird durch intrinsische Faktoren wie Kristalldotierung und Depolarisationsmechanismen beeinflusst. Die Oberflächenvorbereitung von Halbleitern wie GaAs mit Submonoschichten aus Cäsium und einem Oxidationsmittel induziert eine negative Elektronenaffinität (NEA), wodurch die Wahrscheinlichkeit des Elektronenaustritts erhöht wird. Diese Arbeit untersucht und modelliert die Polarisationsentwicklung in Bezug auf die Austrittswahrscheinlichkeit. Die experimentellen Daten wurden mithilfe eines Aufbaus gesammelt, der eine präzise Messung der Polarisationsänderungen gewährleisten soll. Ein longitudinal polarisierter Elektronenstrahl bei 100 keV wurde von einer bulk GaAs Photokathode sowie einer Übergitter-Photokathode erzeugt, die eine höhere Polarisation als die bulk Kathode bietet. Die Diskussion behandelt die im Halbleiter vorherrschenden Depolarisationsmechanismen, insbesondere den Bir-Aronov-Pikus- (BAP) und D’yakonov-Perel- (DP) Mechanismus. Es wurde festgestellt, dass bei signifikant niedriger QE der depolarisierende Effekt von DP zu verschwinden scheint, womit eine Stabilisierung der Polarisation erreicht wird. Es wird angenommen, dass Einfangzustände in der Bandbiegezone keine Elektronen mehr emittieren können, wenn die QE niedrig genug ist. Diese Arbeit zielt darauf ab, das Polarisationsverhalten in Experimenten mit spinpolarisierten Elektronenstrahlen zu verstehen und dabei die Rolle der Einfangzustände in der Bandbiegungszone aufzuzeigen. Die Erkenntnisse liefern einen Rahmen für die kommenden hochpräzisen, paritätsverletzenden Experimente von MESA.

This thesis explores the mechanisms influencing the electron spin polarization (ESP) of photo emitted electron beams from GaAs photocathodes in the context of spin-polarized electron beam experiments. The aim is to analyze the relationship between the polarization and quantum efficiency (QE). These findings hold particular relevance for high-precision parity-violation experiments such as the P2 experiment at the new Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator (MESA). Therefore longitudinally polarized electron beams are essential for probing fundamental interactions. The emission of spin-polarized electrons from GaAs photocathodes is influenced by intrinsic factors, such as doping of the GaAs crystal and depolarizing mechanisms. To extract the electrons from the crystal, the surface preparation of semiconductors like GaAs with sub-mono layers of caesium and an oxidizing agent induces a negative electron affinity (NEA), enhancing electron escape probability. This thesis examines and models the polarization evolution in respect to escape probability. Experimental data were collected using a setup designed to ensure precise measurement of the polarization changes. A longitudinally polarized electron beam at 100 keV was generated from bulk GaAs photocathode as well as a superlattice photocathode which provides higher polarization as the bulk cathode. The discussion explores the depolarizing mechanisms that dominate within the semiconductor, particular the Bir-Aronov-Pikus (BAP) and D’yakonov-Perel (DP) mechanisms. It was found that for low QE the depolarizing effect of DP seems to vanish as a stabilization of the polarization is reached. It is hypothesized that trapping states in the band bending zone cannot emit electrons anymore if the QE is low enough. In conclusion, this thesis aims to understand the polarization behavior in spin polarized electron beam experiments, emphasizing the role of trapping states in the band bending zone which are sensitive to changes in the QE. The findings provide a framework for the upcoming high-precision parity-violating experiments of MESA.