Een nieuw onderzoek van Opto-Electronic Advances bespreekt het op maat maken van elektronenvortexbundels met aanpasbare intensiteitspatronen door middel van elektronendiffractieholografie.

De afgelopen jaren is de wetenschappelijke gemeenschap getuige geweest van een opmerkelijke doorbraak in het onderzoek en de ontwikkeling van elektronenwervelingen. Elektronenwervelingen zijn elektronenbundels die een orbitaal impulsmoment dragen, wat betekent dat de elektronen niet alleen in hun voortplantingsrichting bewegen, maar ook op een wervelachtige manier roteren. Dit unieke kenmerk biedt veel nieuwe fysische eigenschappen en potentiële toepassingen, waardoor het een krachtig hulpmiddel is bij het onderzoeken van microscopische structuren en fysische eigenschappen van materialen, vooral op gebieden als chirale energieverliesspectroscopie en magnetische dichroïsme-spectroscopie.

De studie van elektronenwervelingen wordt gedreven door een dieper begrip van fundamentele deeltjes, zoals fotonen en elektronen. In 1992 ontdekten Allen en anderen dat lichtstralen een gekwantiseerd orbitaal impulsmoment konden overbrengen, waarmee de theoretische basis werd gelegd voor de elektronenvortextechnologie. Elektronen vertonen als geladen deeltjes golfachtig gedrag dat vergelijkbaar is met fotonen, waardoor ze kunnen worden gemanipuleerd en gevormd als lichtgolven om vortexkarakteristieken te genereren. De ontwikkeling van elektronenvortextechnologie komt voort uit het onderzoeken en gebruiken van deze golfachtige eigenschappen van deeltjes.

Sinds de eerste succesvolle creatie van elektronenwervelingen in 2010 heeft dit veld een aanzienlijke ontwikkeling doorgemaakt. Aanvankelijk werden elektronenwervelingen gegenereerd met behulp van spiraalvormige faseplaten die waren samengesteld uit spontaan gestapelde grafietfilms om orbitaal hoekmomentum te verlenen aan invallende elektronenbundels. Wetenschappers onderzochten later verschillende methoden om elektronenwervelingen te genereren, zoals holografische maskers, magnetische lensafwijkingen en magnetische naalden. Deze technieken produceren niet alleen elektronenbundels met een specifiek orbitaal impulsmoment, maar manipuleren ook de interacties van elektronenwervelingen met materie en externe elektrische en magnetische velden.

Ondanks de aanzienlijke vooruitgang in het concept en de toepassing van elektronenwervels, hebben traditionele wervels beperkingen in hun intensiteitsmodi, waarbij ze doorgaans isotrope cirkelvormige ringpatronen vertonen. Deze beperking is te wijten aan de constante fasegradiëntverdeling van de elektronenbundel, waardoor de diversiteit aan elektronenbundelvormen wordt beperkt en de potentiële toepassingen van elektronenwervelingen worden beperkt.

De auteurs van de studie hebben gestructureerde elektronenwervelingen gecreëerd met niet-homogene intensiteitsverdelingen, gebaseerd op de relatie tussen de lokale divergentiehoek en de azimutale fasegradiënt van elektronenbundels. Deze doorbraak betekent dat de intensiteitspatronen van elektronenwervelingen kunnen worden aangepast aan specifieke behoeften, waardoor nieuwe dimensies worden geopend voor de manipulatie en toepassing van elektronenbundels.

De auteurs hebben gedemonstreerd hoe invallende vrije elektronen in een transmissie-elektronenmicroscoop kunnen worden aangepast met behulp van computergegenereerde hologrammen en fasemaskers hebben ontworpen om gestructureerde elektronenwervelingen met verschillende intensiteitspatronen te produceren. Met deze methode kunnen onderzoekers elektronenwervelingen creëren met verschillende intensiteitspatronen, zoals klaverblad-, spiraal- en aangepaste pijlvormen, die elk hetzelfde orbitale impulsmoment dragen.

Uit de studie blijkt dat, hoewel deze elektronenwervelingen macroscopisch kunnen worden gekwantificeerd door een enkel geheel getal dat hun mondiale topologische invariantie beschrijft, ze microscopisch gezien feitelijk een superpositie zijn van verschillende eigentoestanden die het resultaat zijn van lokaal variërende geometrische structuren. Deze ontdekking is belangrijk voor het begrijpen en toepassen van elektronenwervelingen.

Een andere belangrijke prestatie van dit onderzoek is de verkenning van de coherente superpositietoestanden van gestructureerde elektronenwervelingen. Door fasemaskers te ontwerpen om gestructureerde elektronenwervelingen met verschillende topologische ladingen te genereren, produceerde het experiment met succes superpositietoestanden met verschillende intensiteitsverdelingen. Deze toestanden vertoonden unieke bloembladvormige interferentiepatronen, wat bevestigt dat, ondanks dat ze microscopisch zijn samengesteld uit een reeks discrete orbitale impulsmomentmodi, de coherente superpositietoestanden van gestructureerde elektronenwervelingen nog steeds afhankelijk zijn van hun mondiale topologische invarianten.

Deze studie verbreedt niet alleen het theoretische begrip van elektronenwervelingen, maar demonstreert ook experimenteel de haalbaarheid van het controleren van hun intensiteitsmodi door de lokale structuur van de elektronenbundel te manipuleren. Dankzij de extra regelbare vrijheidsgraad hebben de gestructureerde elektronenwervelingen als een kwantumelektronensonde een groot potentieel in de elektronenmicroscopie en kunnen ze verschillende in-situ toepassingen verder bevorderen, zoals elektronenmanipulatie van nanodeeltjes langs ontworpen trajecten, patroonafhankelijke interactie van elektronen orbitaal impulsmoment met materie, en selectief opwindende en indringende oppervlakteplasmonmodi.

De gestructureerde elektronenwervelingen kunnen ook rechtstreeks in de lithografie worden gebruikt om gevormde nanostructuren te produceren zonder de noodzaak om de straal te scannen. Bovendien zijn dergelijke concepten en generatiebenaderingen gemakkelijk te generaliseren naar andere deeltjessystemen, zoals neutronen, protonen, atoom en moleculen. Dit biedt nieuwe perspectieven en methoden voor verder onderzoek en toepassingen van deeltjesbundels.

Meer informatie: Pengcheng Huo et al., Elektronenvortexbundels afstemmen op aanpasbare intensiteitspatronen door middel van elektronendiffractieholografie, Opto-elektronische vooruitgang (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230184

Aangeboden door Compuscript Ltd