En ny forskningsstudie från Opto-Electronic Advances diskuterar att skräddarsy elektronvirvelstrålar med anpassningsbara intensitetsmönster genom elektrondiffraktionsholografi.
Under de senaste åren har forskarvärlden sett ett anmärkningsvärt genombrott i studier och utveckling av elektronvirvlar. Elektronvirvlar är elektronstrålar som bär orbital vinkelmomentum, vilket betyder att elektronerna rör sig inte bara i sin utbredningsriktning utan också roterar på ett virvelliknande sätt. Denna unika egenskap erbjuder många nya fysikaliska egenskaper och potentiella tillämpningar, vilket gör den till ett kraftfullt verktyg för att utforska mikroskopiska strukturer och fysikaliska egenskaper hos material, särskilt inom områden som kiral energiförlustspektroskopi och magnetisk dikroismspektroskopi.
Studiet av elektronvirvlar drivs av en djupare förståelse av fundamentala partiklar, såsom fotoner och elektroner. 1992 upptäckte Allen och andra att ljusstrålar kunde bära kvantiserad orbital vinkelmomentum, vilket lägger den teoretiska grunden för elektronvirvelteknologi. Elektroner, som laddade partiklar, uppvisar vågliknande beteenden som liknar fotoner, vilket gör att de kan manipuleras och formas som ljusvågor för att generera virvelegenskaper. Utvecklingen av elektronvirvelteknologi härrör från att utforska och utnyttja dessa vågliknande egenskaper hos partiklar.
Sedan den första framgångsrika skapandet av elektronvirvlar 2010 har detta område genomgått en betydande utveckling. Inledningsvis genererades elektronvirvlar med användning av spiralfasplattor sammansatta av spontant staplade grafitfilmer för att ge infallande elektronstrålar omloppsvinkelmomentum. Forskare utforskade senare olika metoder för att generera elektronvirvlar, såsom holografiska masker, magnetiska linsavvikelser och magnetiska nålar. Dessa tekniker producerar inte bara elektronstrålar med specifikt omloppsrörelsemängd utan manipulerar också interaktionen mellan elektronvirvlar med materia och externa elektriska och magnetiska fält.
Trots de betydande framstegen i konceptet och tillämpningen av elektronvirvlar har traditionella virvlar begränsningar i sina intensitetslägen, typiskt med isotropa cirkulära ringmönster. Denna begränsning beror på den konstanta fasgradientfördelningen av elektronstrålen, vilket begränsar mångfalden av elektronstråleformer och begränsar de potentiella tillämpningarna av elektronvirvlar.
Författarna till studien har skapat strukturerade elektronvirvlar med icke-homogena intensitetsfördelningar baserat på förhållandet mellan den lokala divergensvinkeln och azimutfasgradienten hos elektronstrålar. Detta genombrott innebär att intensitetsmönstren för elektronvirvlar kan anpassas efter specifika behov, vilket öppnar nya dimensioner för manipulation och applicering av elektronstrålar.
Författarna har visat hur man justerar infallande fria elektroner i ett transmissionselektronmikroskop med hjälp av datorgenererade hologram och designade fasmasker för att producera strukturerade elektronvirvlar med olika intensitetsmönster. Den här metoden gör det möjligt för forskare att skapa elektronvirvlar med olika intensitetsmönster, såsom klöverblad, spiralformer och anpassade pilformer, som var och en bär samma omloppsrörelsemängd.
Studien avslöjar att även om dessa elektronvirvlar kan kvantifieras makroskopiskt av ett enda heltal som beskriver deras globala topologiska invarians, mikroskopiskt, är de faktiskt en överlagring av olika egentillstånd som är ett resultat av lokalt varierande geometriska strukturer. Denna upptäckt är betydelsefull för att förstå och tillämpa elektronvirvlar.
En annan viktig prestation av denna forskning är utforskningen av de koherenta superpositionstillstånden hos strukturerade elektronvirvlar. Genom att designa fasmasker för att generera strukturerade elektronvirvlar med olika topologiska laddningar, producerade experimentet framgångsrikt superpositionstillstånd med olika intensitetsfördelningar. Dessa tillstånd uppvisade unika kronbladsformade interferensmönster, vilket bekräftar att trots att de består av en serie diskreta orbitala vinkelmomentmoder mikroskopiskt, beror de koherenta superpositionstillstånden hos strukturerade elektronvirvlar fortfarande på deras globala topologiska invarianter.
Denna studie breddar inte bara den teoretiska förståelsen av elektronvirvlar utan demonstrerar också experimentellt möjligheten att kontrollera deras intensitetslägen genom att manipulera elektronstrålens lokala struktur. Tack vare dess ytterligare kontrollerbara frihetsgrad har de strukturerade elektronvirvlarna som en kvantelektronprob stor potential i elektronmikroskopi och kan ytterligare främja olika in-situ-applikationer, såsom elektronmanipulation av nanopartiklar längs designade banor, mönsterberoende interaktion av elektroner orbital vinkelmomentum med materia och selektivt spännande och sonderande ytplasmonlägen.
De strukturerade elektronvirvlarna kan också användas direkt i litografi för att producera formade nanostrukturer utan att behöva skanna strålen. Dessutom är sådana koncept och genereringsmetod lämpliga att generalisera till andra partikelsystem, såsom neutron, proton, atom och molekyl. Detta ger nya perspektiv och metoder för vidare forskning och tillämpningar av partikelstrålar.
Mer information: Pengcheng Huo et al., Skräddarsy elektronvirvelstrålar med anpassningsbara intensitetsmönster genom elektrondiffraktionsholografi, Opto-Electronic Advances (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230184
Tillhandahålls av Compuscript Ltd
