Skræddersy elektronhvirvelstråler med brugerdefinerbare intensitetsmønstre ved elektrondiffraktionsholografi

En ny forskningsundersøgelse fra Opto-Electronic Advances diskuterer skræddersyet elektronhvirvelstråler med tilpasselige intensitetsmønstre ved elektrondiffraktionsholografi.

I de senere år har det videnskabelige samfund været vidne til et bemærkelsesværdigt gennembrud i undersøgelsen og udviklingen af ​​elektronhvirvler. Elektronhvirvler er elektronstråler, der bærer orbital vinkelmomentum, hvilket betyder, at elektronerne bevæger sig ikke kun i deres udbredelsesretning, men også roterer på en hvirvellignende måde. Denne unikke egenskab tilbyder mange nye fysiske egenskaber og potentielle anvendelser, hvilket gør den til et stærkt værktøj til at udforske mikroskopiske strukturer og fysiske egenskaber af materialer, især inden for områder som chiral energitabsspektroskopi og magnetisk dikroismespektroskopi.

Studiet af elektronhvirvler er drevet af en dybere forståelse af fundamentale partikler, såsom fotoner og elektroner. I 1992 opdagede Allen og andre, at lysstråler kunne bære kvantiseret orbital vinkelmomentum, hvilket lagde det teoretiske grundlag for elektronhvirvelteknologi. Elektroner, som ladede partikler, udviser bølgelignende adfærd svarende til fotoner, hvilket tillader dem at blive manipuleret og formet som lysbølger for at generere hvirvelkarakteristika. Udviklingen af ​​elektronhvirvelteknologi stammer fra udforskning og udnyttelse af disse bølgelignende egenskaber ved partikler.

Siden den første vellykkede oprettelse af elektronhvirvler i 2010 har dette felt gennemgået en betydelig udvikling. Indledningsvis blev elektronhvirvler genereret ved hjælp af spiralfaseplader sammensat af spontant stablede grafitfilm for at give indfaldende elektronstråler orbital vinkelmomentum. Forskere undersøgte senere forskellige metoder til at generere elektronhvirvler, såsom holografiske masker, magnetiske linseaberrationer og magnetiske nåle. Disse teknikker producerer ikke kun elektronstråler med specifik orbital vinkelmomentum, men manipulerer også interaktionen mellem elektronhvirvler med stof og eksterne elektriske og magnetiske felter.

På trods af de betydelige fremskridt i konceptet og anvendelsen af ​​elektronhvirvler har traditionelle hvirvler begrænsninger i deres intensitetstilstande, der typisk præsenterer isotropiske cirkulære ringmønstre. Denne begrænsning skyldes den konstante fasegradientfordeling af elektronstrålen, hvilket begrænser mangfoldigheden af ​​elektronstråleformer og begrænser de potentielle anvendelser af elektronhvirvler.

Forfatterne af undersøgelsen har skabt strukturerede elektronhvirvler med ikke-homogene intensitetsfordelinger baseret på forholdet mellem den lokale divergensvinkel og azimutfasegradient af elektronstråler. Dette gennembrud betyder, at intensitetsmønstrene for elektronhvirvler kan tilpasses efter specifikke behov, hvilket åbner nye dimensioner for manipulation og anvendelse af elektronstråler.

Forfatterne har demonstreret, hvordan man justerer indfaldende frie elektroner i et transmissionselektronmikroskop ved hjælp af computergenererede hologrammer og designet fasemasker til at producere strukturerede elektronhvirvler med forskellige intensitetsmønstre. Denne metode gør det muligt for forskere at skabe elektronhvirvler med forskellige intensitetsmønstre, såsom kløverblade, spiralformer og tilpassede pileformer, som hver bærer det samme kredsløbsvinkelmomentum.

Undersøgelsen afslører, at selvom disse elektronhvirvler kan kvantificeres makroskopisk af et enkelt heltal, der beskriver deres globale topologiske invarians, mikroskopisk, er de faktisk en superposition af forskellige egentilstande som følge af lokalt varierende geometriske strukturer. Denne opdagelse er vigtig for at forstå og anvende elektronhvirvler.

En anden vigtig præstation af denne forskning er udforskningen af ​​de sammenhængende superpositionstilstande af strukturerede elektronhvirvler. Ved at designe fasemasker til at generere strukturerede elektronhvirvler med forskellige topologiske ladninger, producerede eksperimentet med succes superpositionstilstande med forskellige intensitetsfordelinger. Disse tilstande udviste unikke kronbladsformede interferensmønstre, hvilket bekræfter, at selvom de er sammensat af en række diskrete orbitale vinkelmomenttilstande mikroskopisk, afhænger de sammenhængende superpositionstilstande af strukturerede elektronhvirvler stadig af deres globale topologiske invarianter.

Denne undersøgelse udvider ikke kun den teoretiske forståelse af elektronhvirvler, men demonstrerer også eksperimentelt muligheden for at kontrollere deres intensitetstilstande ved at manipulere den lokale struktur af elektronstrålen. Takket være dens yderligere kontrollerbare frihedsgrad har de strukturerede elektronhvirvler som en kvanteelektronsonde et stort potentiale i elektronmikroskopi og kan yderligere fremme forskellige in-situ applikationer, såsom elektronmanipulation af nanopartikler langs designede baner, mønsterafhængig interaktion af elektroner orbital vinkelmomentum med stof og selektivt spændende og sonderende overfladeplasmontilstande.

De strukturerede elektronhvirvler kan også bruges direkte i litografi til at producere formede nanostrukturer uden behov for at scanne strålen. Desuden er sådanne koncepter og genereringstilgange bekvemme at generalisere til andre partikelsystemer, såsom neutron, proton, atom og molekyle. Dette giver nye perspektiver og metoder til yderligere forskning og anvendelser af partikelstråler.

Flere oplysninger: Pengcheng Huo et al., Skræddersying af elektronhvirvelstråler med tilpasselige intensitetsmønstre ved elektrondiffraktionsholografi, Opto-Electronic Advances (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230184

Leveret af Compuscript Ltd