Resultat av elektroniska banberäkningar. En elektronobjektivlins med en sfärisk aberration på 1 nanometer korrigerades med användning av en elektronisk ljusfältslins med negativ sfärisk aberration. Strålradien vid fokus (z =0) reducerades från 1 nm till atomskalan på 0,3 nm. Kredit:Yuuki Uesugi et al.
Elektronmikroskopi gör det möjligt för forskare att visualisera små föremål som virus, de fina strukturerna hos halvledarenheter och till och med atomer arrangerade på en materialyta. Att fokusera ned elektronstrålen till storleken på en atom är avgörande för att uppnå en så hög rumslig upplösning. Men när elektronstrålen passerar genom en elektrostatisk eller magnetisk lins, uppvisar elektronstrålarna olika brännpunktspositioner beroende på fokuseringsvinkeln och strålen sprids ut vid fokus. Att korrigera denna "sfäriska aberration" är kostsamt och komplicerat, vilket innebär att endast ett fåtal utvalda forskare och företag har elektronmikroskop med atomupplösning.
Forskare från Tohoku University har föreslagit en ny metod för att bilda en elektronlins som använder ett ljusfält istället för de elektrostatiska och magnetiska fälten som används i konventionella elektronlinser. En reflekterande kraft gör att elektronerna som färdas i ljusfältet stöts bort från områden med hög optisk intensitet. Med detta fenomen förväntas en munkformad ljusstråle placerad koaxiellt med en elektronstråle ge en linseffekt på elektronstrålen.
Forskarna bedömde teoretiskt egenskaperna hos ljusfältselektronlinsen som bildas med hjälp av en typisk munkformad ljusstråle - känd som en Bessel- eller Laguerre-Gaussisk stråle. Därifrån fick de en enkel formel för brännvidd och sfäriska aberrationskoefficienter som gjorde det möjligt för dem att snabbt bestämma de styrparametrar som är nödvändiga för själva elektronlinsdesignen.
Formlerna visade att ljusfältselektronlinsen genererar en "negativ" sfärisk aberration som motverkar aberrationen hos elektrostatiska och magnetiska elektronlinser. Kombinationen av den konventionella elektronlinsen med en "positiv" sfärisk aberration och en ljusfältselektronlins som kompenserade för aberrationen reducerade elektronstrålarnas storlek till atomskalan. Detta betyder att ljusfältselektronlinsen kan användas som en sfärisk aberrationskorrigerare.
"Ljusfältselektronlinsen har unika egenskaper som inte ses i konventionella elektrostatiska och magnetiska elektronlinser", säger Yuuki Uesugi, biträdande professor vid Institutet för multidisciplinär forskning för avancerade material vid Tohoku University och huvudförfattare till studien. "Förverkligandet av ljusbaserad aberrationskorrektor kommer avsevärt att minska installationskostnaderna för elektronmikroskop med atomupplösning, vilket leder till att de används i många olika vetenskapliga och industriella områden", tillägger Uesugi.
Deras studie publiceras i Journal of Optics . Framöver undersöker Uesugi och kollegor sätt för praktisk tillämpning av nästa generations elektronmikroskop med hjälp av ljusfältselektronlinsen. + Utforska vidare
