Sebuah studi penelitian baru dari Kemajuan Opto-Elektronik membahas penyesuaian berkas pusaran elektron dengan pola intensitas yang dapat disesuaikan dengan holografi difraksi elektron.
Dalam beberapa tahun terakhir, komunitas ilmiah telah menyaksikan terobosan penting dalam studi dan pengembangan pusaran elektron. Pusaran elektron adalah berkas elektron yang membawa momentum sudut orbital, artinya elektron tidak hanya bergerak sesuai arah rambatnya tetapi juga berputar seperti pusaran. Karakteristik unik ini menawarkan banyak sifat fisik baru dan aplikasi potensial, menjadikannya alat yang ampuh dalam mengeksplorasi struktur mikroskopis dan sifat fisik material, terutama di bidang seperti spektroskopi kehilangan energi kiral dan spektroskopi dikroisme magnetik.
Studi tentang pusaran elektron didorong oleh pemahaman yang lebih mendalam tentang partikel fundamental, seperti foton dan elektron. Pada tahun 1992, Allen dan yang lainnya menemukan bahwa berkas cahaya dapat membawa momentum sudut orbital terkuantisasi, yang meletakkan dasar teoretis bagi pusaran elektron. teknologi. Elektron, sebagai partikel bermuatan, menunjukkan perilaku gelombang yang mirip dengan foton, memungkinkannya dimanipulasi dan dibentuk seperti gelombang cahaya untuk menghasilkan karakteristik pusaran. Perkembangan teknologi pusaran elektron berasal dari eksplorasi dan pemanfaatan sifat-sifat partikel yang menyerupai gelombang ini.
Sejak keberhasilan penciptaan pusaran elektron pertama kali pada tahun 2010, bidang ini telah mengalami perkembangan yang signifikan. Awalnya, pusaran elektron dihasilkan menggunakan pelat fase spiral yang terdiri dari film grafit yang ditumpuk secara spontan untuk memberikan momentum sudut orbital pada berkas elektron yang datang. Para ilmuwan kemudian mengeksplorasi berbagai metode untuk menghasilkan pusaran elektron, seperti topeng holografik, penyimpangan lensa magnetik, dan jarum magnetik. Teknik ini tidak hanya menghasilkan berkas elektron dengan momentum sudut orbital tertentu tetapi juga memanipulasi interaksi pusaran elektron dengan materi serta medan listrik dan magnet eksternal.
Meskipun ada kemajuan yang signifikan dalam konsep dan penerapan vortisitas elektron, vortisitas tradisional memiliki keterbatasan dalam mode intensitasnya, biasanya menampilkan pola cincin melingkar isotropik. Keterbatasan ini disebabkan oleh distribusi gradien fase berkas elektron yang konstan, membatasi keragaman bentuk berkas elektron dan membatasi penerapan potensial pusaran elektron.
Penulis penelitian telah menciptakan pusaran elektron terstruktur dengan distribusi intensitas non-homogen berdasarkan hubungan antara sudut divergensi lokal dan gradien fase azimut berkas elektron. Terobosan ini berarti bahwa pola intensitas pusaran elektron dapat disesuaikan berdasarkan kebutuhan spesifik, membuka dimensi baru untuk manipulasi dan penerapan berkas elektron.
Para penulis telah mendemonstrasikan cara menyesuaikan elektron bebas yang datang dalam mikroskop elektron transmisi menggunakan hologram yang dihasilkan komputer dan merancang masker fase untuk menghasilkan pusaran elektron terstruktur dengan pola intensitas berbeda. Metode ini memungkinkan peneliti untuk membuat pusaran elektron dengan berbagai pola intensitas, seperti daun semanggi, spiral, dan bentuk panah yang disesuaikan, masing-masing membawa momentum sudut orbital yang sama.
Studi ini mengungkapkan bahwa meskipun vortisitas elektron ini dapat diukur secara makroskopis dengan satu bilangan bulat yang menggambarkan invarian topologi globalnya, secara mikroskopis, vortisitas tersebut sebenarnya merupakan superposisi dari keadaan eigen berbeda yang dihasilkan dari struktur geometris yang bervariasi secara lokal. Penemuan ini penting untuk memahami dan menerapkan pusaran elektron.
Pencapaian penting lainnya dari penelitian ini adalah eksplorasi keadaan superposisi koheren dari vortisitas elektron terstruktur. Dengan merancang masker fase untuk menghasilkan pusaran elektron terstruktur dengan muatan topologi berbeda, percobaan berhasil menghasilkan keadaan superposisi dengan distribusi intensitas berbeda. Keadaan ini menunjukkan pola interferensi berbentuk kelopak yang unik, menegaskan bahwa meskipun terdiri dari serangkaian mode momentum sudut orbital diskrit secara mikroskopis, keadaan superposisi koheren dari vortisitas elektron terstruktur masih bergantung pada invarian topologi globalnya.
Studi ini tidak hanya memperluas pemahaman teoritis tentang vortisitas elektron tetapi juga menunjukkan secara eksperimental kelayakan mengendalikan mode intensitasnya dengan memanipulasi struktur lokal berkas elektron. Berkat tingkat kebebasan tambahan yang dapat dikontrol, vortisitas elektron terstruktur sebagai probe elektron kuantum memiliki potensi besar dalam mikroskop elektron dan selanjutnya dapat mendorong berbagai aplikasi in-situ, seperti manipulasi elektron nanopartikel di sepanjang lintasan yang dirancang, interaksi elektron yang bergantung pada pola. momentum sudut orbital dengan materi, dan mode plasmon permukaan yang menarik dan menyelidiki secara selektif.
Pusaran elektron terstruktur juga dapat langsung digunakan dalam litografi untuk menghasilkan struktur nano berbentuk tanpa perlu memindai berkas. Selain itu, konsep dan pendekatan pembangkitan seperti itu mudah untuk digeneralisasikan ke sistem partikel lain, seperti neutron, proton, atom, dan molekul. Hal ini memberikan perspektif dan metode baru untuk penelitian lebih lanjut dan penerapan berkas partikel.