Maßgeschneiderte Elektronenwirbelstrahlen mit anpassbaren Intensitätsmustern durch Elektronenbeugungsholographie

Ein neuer Forschungsstudie aus Optoelektronische Fortschritte diskutiert die maßgeschneiderte Anpassung von Elektronenwirbelstrahlen mit anpassbaren Intensitätsmustern durch Elektronenbeugungsholographie.

In den letzten Jahren konnte die wissenschaftliche Gemeinschaft einen bemerkenswerten Durchbruch bei der Erforschung und Entwicklung von Elektronenwirbeln verzeichnen. Elektronenwirbel sind Elektronenstrahlen, die einen Bahndrehimpuls tragen, was bedeutet, dass sich die Elektronen nicht nur in ihrer Ausbreitungsrichtung bewegen, sondern auch wirbelartig rotieren. Diese einzigartige Eigenschaft bietet viele neue physikalische Eigenschaften und potenzielle Anwendungen und macht es zu einem leistungsstarken Werkzeug zur Erforschung mikroskopischer Strukturen und physikalischer Eigenschaften von Materialien, insbesondere in Bereichen wie der chiralen Energieverlustspektroskopie und der magnetischen Dichroismus-Spektroskopie.

Die Untersuchung von Elektronenwirbeln basiert auf einem tieferen Verständnis grundlegender Teilchen wie Photonen und Elektronen. Im Jahr 1992 entdeckten Allen und andere, dass Lichtstrahlen einen quantisierten Bahndrehimpuls übertragen können, und legten damit den theoretischen Grundstein für die Elektronenwirbeltechnologie. Elektronen zeigen als geladene Teilchen ein wellenartiges Verhalten, das Photonen ähnelt, wodurch sie wie Lichtwellen manipuliert und geformt werden können, um Wirbeleigenschaften zu erzeugen. Die Entwicklung der Elektronenwirbeltechnologie basiert auf der Erforschung und Nutzung dieser wellenartigen Eigenschaften von Teilchen.

Seit der ersten erfolgreichen Erzeugung von Elektronenwirbeln im Jahr 2010 hat dieses Gebiet eine bedeutende Entwicklung erfahren. Ursprünglich wurden Elektronenwirbel mithilfe spiralförmiger Phasenplatten erzeugt, die aus spontan gestapelten Graphitfilmen bestanden, um einfallenden Elektronenstrahlen einen Bahndrehimpuls zu verleihen. Später erforschten Wissenschaftler verschiedene Methoden zur Erzeugung von Elektronenwirbeln, etwa holographische Masken, magnetische Linsenaberrationen und magnetische Nadeln. Diese Techniken erzeugen nicht nur Elektronenstrahlen mit einem spezifischen Bahndrehimpuls, sondern manipulieren auch die Wechselwirkungen von Elektronenwirbeln mit Materie und externen elektrischen und magnetischen Feldern.

Trotz der erheblichen Fortschritte im Konzept und in der Anwendung von Elektronenwirbeln weisen herkömmliche Wirbel Einschränkungen in ihren Intensitätsmodi auf und weisen typischerweise isotrope kreisförmige Ringmuster auf. Diese Einschränkung ist auf die konstante Phasengradientenverteilung des Elektronenstrahls zurückzuführen, die die Vielfalt der Elektronenstrahlformen einschränkt und die möglichen Anwendungen von Elektronenwirbeln begrenzt.

Die Autoren der Studie haben strukturierte Elektronenwirbel mit inhomogenen Intensitätsverteilungen erstellt, die auf der Beziehung zwischen dem lokalen Divergenzwinkel und dem azimutalen Phasengradienten von Elektronenstrahlen basieren. Dieser Durchbruch bedeutet, dass die Intensitätsmuster von Elektronenwirbeln an spezifische Bedürfnisse angepasst werden können, was neue Dimensionen für die Manipulation und Anwendung von Elektronenstrahlen eröffnet.

Die Autoren haben gezeigt, wie man einfallende freie Elektronen in einem Transmissionselektronenmikroskop mithilfe computergenerierter Hologramme justiert und Phasenmasken entworfen hat, um strukturierte Elektronenwirbel mit unterschiedlichen Intensitätsmustern zu erzeugen. Mit dieser Methode können Forscher Elektronenwirbel mit unterschiedlichen Intensitätsmustern erzeugen, beispielsweise Kleeblatt-, Spiral- und individuelle Pfeilformen, die jeweils den gleichen Bahndrehimpuls tragen.

Die Studie zeigt, dass diese Elektronenwirbel zwar makroskopisch durch eine einzige ganze Zahl quantifiziert werden können, die ihre globale topologische Invarianz beschreibt, mikroskopisch jedoch tatsächlich eine Überlagerung verschiedener Eigenzustände sind, die aus lokal variierenden geometrischen Strukturen resultieren. Diese Entdeckung ist für das Verständnis und die Anwendung von Elektronenwirbeln von Bedeutung.

Eine weitere wichtige Errungenschaft dieser Forschung ist die Erforschung der kohärenten Überlagerungszustände strukturierter Elektronenwirbel. Durch den Entwurf von Phasenmasken zur Erzeugung strukturierter Elektronenwirbel mit unterschiedlichen topologischen Ladungen konnte das Experiment erfolgreich Überlagerungszustände mit unterschiedlichen Intensitätsverteilungen erzeugen. Diese Zustände zeigten einzigartige blütenblattförmige Interferenzmuster, was bestätigt, dass die kohärenten Überlagerungszustände strukturierter Elektronenwirbel, obwohl sie mikroskopisch aus einer Reihe diskreter Bahndrehimpulsmodi bestehen, immer noch von ihren globalen topologischen Invarianten abhängen.

Diese Studie erweitert nicht nur das theoretische Verständnis von Elektronenwirbeln, sondern demonstriert auch experimentell die Möglichkeit, ihre Intensitätsmodi durch Manipulation der lokalen Struktur des Elektronenstrahls zu steuern. Dank ihres zusätzlichen kontrollierbaren Freiheitsgrads bergen die strukturierten Elektronenwirbel als Quantenelektronensonde ein großes Potenzial in der Elektronenmikroskopie und können verschiedene In-situ-Anwendungen weiter fördern, wie z. B. die Elektronenmanipulation von Nanopartikeln entlang entworfener Flugbahnen und die musterabhängige Wechselwirkung von Elektronen Bahndrehimpuls mit Materie und selektive Anregung und Untersuchung von Oberflächenplasmonmoden.

Die strukturierten Elektronenwirbel können auch direkt in der Lithographie verwendet werden, um geformte Nanostrukturen zu erzeugen, ohne dass der Strahl abgetastet werden muss. Darüber hinaus lassen sich solche Konzepte und Erzeugungsansätze bequem auf andere Teilchensysteme wie Neutronen, Protonen, Atome und Moleküle übertragen. Dies eröffnet neue Perspektiven und Methoden für die weitere Erforschung und Anwendung von Teilchenstrahlen.