Met elektronenmicroscopie kunnen onderzoekers minuscule objecten zoals virussen, de fijne structuren van halfgeleiderapparaten en zelfs atomen die op een materiaaloppervlak zijn gerangschikt, visualiseren. Het scherpstellen van de elektronenbundel tot de grootte van een atoom is van vitaal belang voor het bereiken van een dergelijke hoge ruimtelijke resolutie. Wanneer de elektronenbundel echter door een elektrostatische of magnetische lens gaat, vertonen de elektronenstralen verschillende brandpuntsposities afhankelijk van de focushoek en de bundel spreidt zich uit in het focus. Het corrigeren van deze "sferische aberratie" is kostbaar en complex, wat betekent dat slechts een select aantal wetenschappers en bedrijven elektronenmicroscopen met atomaire resolutie bezitten.

Onderzoekers van de Tohoku University hebben een nieuwe methode voorgesteld om een ​​elektronenlens te vormen die een lichtveld gebruikt in plaats van de elektrostatische en magnetische velden die in conventionele elektronenlenzen worden gebruikt. Een ponderomotorische kracht zorgt ervoor dat de elektronen die in het lichtveld reizen, worden afgestoten uit gebieden met een hoge optische intensiteit. Met behulp van dit fenomeen wordt verwacht dat een donutvormige lichtstraal die coaxiaal met een elektronenstraal is geplaatst, een lenseffect op de elektronenstraal produceert.

De onderzoeken beoordeelden theoretisch de kenmerken van de lichtveldelektronenlens gevormd met behulp van een typische donutvormige lichtstraal - bekend als een Bessel- of Laguerre-Gaussiaanse straal. Van daaruit verkregen ze een eenvoudige formule voor brandpuntsafstand en sferische aberratiecoëfficiënten waarmee ze snel de geleidingsparameters konden bepalen die nodig zijn voor het eigenlijke ontwerp van de elektronenlens.

De formules toonden aan dat de lichtveld-elektronenlens een "negatieve" sferische aberratie genereert die de aberratie van elektrostatische en magnetische elektronenlenzen tegengaat. De combinatie van de conventionele elektronenlens met een "positieve" sferische aberratie en een lichtveld-elektronenlens die de aberratie compenseerde, verkleinde de grootte van de elektronenbundels tot op atomaire schaal. Dit betekent dat de lichtveld-elektronenlens kan worden gebruikt als sferische aberratiecorrector.

"De lichtveldelektronenlens heeft unieke eigenschappen die niet worden gezien in conventionele elektrostatische en magnetische elektronenlenzen", zegt Yuuki Uesugi, assistent-professor aan het Institute of Multidisciplinair Onderzoek voor geavanceerde materialen aan de Tohoku University en hoofdauteur van het onderzoek. "De realisatie van een op licht gebaseerde aberratiecorrector zal de installatiekosten voor elektronenmicroscopen met atomaire resolutie aanzienlijk verlagen, wat leidt tot hun wijdverbreide gebruik in diverse wetenschappelijke en industriële gebieden", voegt Uesugi toe.

Hun studie is gepubliceerd in Journal of Optics . Vooruitkijkend onderzoeken Uesugi en collega's manieren voor de praktische toepassing van elektronenmicroscopen van de volgende generatie met behulp van de lichtveld-elektronenlens. + Verder verkennen

Visualisatie van de oorsprong van magnetische krachten door elektronenmicroscopie met atomaire resolutie