Ученые впервые создали новый тип электронных пучков, с помощью которых японскими физиками было наглядно продемонстрировано существование у электронов в пучке орбитального углового момента.
Подобно световым пучкам, эти электронные пучки имели искаженный волновой фронт такой, что электроны двигались по спирали в отведенном пространстве, порождая «фазовую сингулярность». Такие пучки смогут быть использованы при создании более мощных электронных микроскопов.
Как известно, световые пучки обладают такой характеристикой как спиновой угловой момент, который непосредственно связан с направлением, в котором свет поляризован. Однако, свет может быть также переносчиком орбитального углового момента. Последнее может быть достигнуто, посредством «скручивания» волнового фронта пучка, когда мнимое положение точек на волне, обладают той же фазой. В отличие от обычной плоскости волнового фронта коллимировавшего луча, этот вид волнового фронта вращается вокруг центральной оси и приводит к тому, что известно как «фазовая сингулярность» в центре луча, тип «вихря», в котором интенсивность волны равна нулю, а его фаза не определена.
Такие спиралеподобные волны уже нашли у специалистов ряд применений, включая “оптический пинцет” – световой луч, который способен заманивать в ловушку и вращать частицы, и многомерное шифрование в квантовой оптике.
Плоские волны могут быть преобразованы в спиральные волны, если их пропускать через крошечную изогнутую поверхность-образец, известную как «пластина спиральной фазы», с высотой в любом точке на поверхности, пропорциональной углу в той же точке. Построение такой пластины для световых волн является сегодня решаемой задачей, так как она может быть изготовлена из кремния, с использованием литографских методов (последние активно используются в производстве полупроводников).
Но выполнение того же самого для электронных лучей ? много более сложная задача. Согласно общим принципам вантовой механики, электрон, как и любую другую элементарную частицу, можно рассматривать как волну, но ее длина (при одной и той же энергии электрона и фотона) будет много меньше длины соответствующей световой волны. Это означает, что и пластина для электронных пучков также должна быть существенно меньше по размерам. Так, например, для электронов с энергией 300 кэВ требуется поверхность, сделанная из кремния, с характерным размером порядка 100 нм.
Мазая Учида и Акира Тономера (Masaya Uchida and Akira Tonomura) из института RIKEN (Уоко, Япония) использовали альтернативный подход. Вместо того, чтобы пытаться создать гладкую спираль, они построили ступенчатоподобную структуру ? эквивалент миниатюрной спиральной лестницы.
Они использовали обычный карандашный графит, разместив последний тонким слоем на медной сетке, покрытой углеродной пленкой. При этом они разместили на пластинке графит в виде ступенек убывающей толщины, которые располагались на пластине в виде винтовой линии. Средняя разность толщины соседних ступенек составляла 10–100 нм.
Чтобы продемонстрировать свою «пластину спиральной фазы» в действии, они использовали пучок электронов с энергией 300 кэВ (соответствующий длине волны приблизительно 0.002 нм) и затем разделяли пучок в электронной бипризме. Одну половину пучка посылали через пластинуи, а другую половину оставляли в форме плоской электронной волны. Направляя два луча на экран и наблюдая интерференционную картину, исследователи отчетливо регистрировали доказательство наличия фазовой сингулярности винтового типа.
Майлс Падгетт (Miles Padgett) из университета Глазго охарактеризовал эксперименты как «очень интересное исследование» и сказал, что результаты исследований могут способствовать совершенствованию электронной микроскопии. Он отметил также, что низкий контраст отображаемый в оптической микроскопии, может быть частично преодолен, меняя фазу, а не интенсивность света, переданного объектом, и надеется, что новая работа могла бы «создать новые возможности для создания четких изображений в электронной микроскопии».
Учида отмечает, что их «техника спиральной лестницы» позволила им продемонстрировать существование искривленных электронных волн, и поэтому электронного орбитального углового момента, она пока не позволяет достаточно точно воспроизвести такие волны. Он также отметил, что сфокусированные пучки ионов могли бы быть способны к созданию спиральных волновых поверхностей высокой точности.
Более того Учида надеется на более широкое использование волновых поверхностей различной формы, например двойной спирали или U-формы электронных волн.
Источник: Нанотехнологии России
