Un nuovo studio di ricerca da Avanzamenti optoelettronici discute la personalizzazione dei fasci di vortici di elettroni con modelli di intensità personalizzabili mediante olografia di diffrazione di elettroni.
Negli ultimi anni, la comunità scientifica ha assistito a un notevole passo avanti nello studio e nello sviluppo dei vortici elettronici. I vortici elettronici sono fasci di elettroni che trasportano momento angolare orbitale, il che significa che gli elettroni si muovono non solo nella loro direzione di propagazione ma ruotano anche in modo simile a un vortice. Questa caratteristica unica offre molte nuove proprietà fisiche e potenziali applicazioni, rendendolo un potente strumento per esplorare le strutture microscopiche e le proprietà fisiche dei materiali, soprattutto in campi come la spettroscopia di perdita di energia chirale e la spettroscopia di dicroismo magnetico.
Lo studio dei vortici elettronici è guidato da una comprensione più profonda delle particelle fondamentali, come i fotoni e gli elettroni. Nel 1992, Allen e altri scoprirono che i fasci di luce potevano trasportare un momento angolare orbitale quantizzato, ponendo le basi teoriche per il vortice elettronico la tecnologia. Gli elettroni, in quanto particelle cariche, mostrano comportamenti ondulatori simili ai fotoni, consentendo loro di essere manipolati e modellati come onde luminose per generare caratteristiche di vortice. Lo sviluppo della tecnologia del vortice elettronico deriva dall’esplorazione e dall’utilizzo di queste proprietà ondulatorie delle particelle.
Dalla prima creazione riuscita di vortici di elettroni nel 2010, questo campo ha subito uno sviluppo significativo. Inizialmente, i vortici elettronici venivano generati utilizzando piastre di fase a spirale composte da pellicole di grafite impilate spontaneamente per impartire momento angolare orbitale ai fasci di elettroni incidenti. Gli scienziati hanno successivamente esplorato vari metodi per generare vortici di elettroni, come maschere olografiche, aberrazioni di lenti magnetiche e aghi magnetici. Queste tecniche non solo producono fasci di elettroni con momento angolare orbitale specifico, ma manipolano anche le interazioni dei vortici di elettroni con la materia e i campi elettrici e magnetici esterni.
Nonostante i progressi significativi nel concetto e nell’applicazione dei vortici elettronici, i vortici tradizionali presentano limitazioni nelle loro modalità di intensità, presentando tipicamente schemi di anelli circolari isotropi. Questa limitazione è dovuta alla distribuzione del gradiente di fase costante del fascio di elettroni, che limita la diversità delle forme del fascio di elettroni e limita le potenziali applicazioni dei vortici di elettroni.
Gli autori dello studio hanno creato vortici elettronici strutturati con distribuzioni di intensità non omogenee basate sulla relazione tra l'angolo di divergenza locale e il gradiente di fase azimutale dei fasci di elettroni. Questa innovazione significa che i modelli di intensità dei vortici elettronici possono essere personalizzati in base alle esigenze specifiche, aprendo nuove dimensioni per la manipolazione e l’applicazione dei fasci di elettroni.
Gli autori hanno dimostrato come regolare gli elettroni liberi incidenti in un microscopio elettronico a trasmissione utilizzando ologrammi generati dal computer e maschere di fase progettate per produrre vortici elettronici strutturati con diversi modelli di intensità. Questo metodo consente ai ricercatori di creare vortici di elettroni con vari modelli di intensità, come forme a quadrifoglio, a spirale e a freccia personalizzate, ciascuno con lo stesso momento angolare orbitale.
Lo studio rivela che sebbene questi vortici elettronici possano essere quantificati macroscopicamente da un singolo numero intero che descrive la loro invarianza topologica globale, microscopicamente sono in realtà una sovrapposizione di diversi autostati risultanti da strutture geometriche variabili localmente. Questa scoperta è significativa per comprendere e applicare i vortici elettronici.
Un altro importante risultato di questa ricerca è l'esplorazione degli stati di sovrapposizione coerente di vortici elettronici strutturati. Progettando maschere di fase per generare vortici elettronici strutturati con diverse cariche topologiche, l'esperimento è riuscito a produrre stati di sovrapposizione con diverse distribuzioni di intensità. Questi stati hanno mostrato modelli di interferenza unici a forma di petalo, confermando che, nonostante siano composti microscopicamente da una serie di modi discreti di momento angolare orbitale, gli stati di sovrapposizione coerente dei vortici elettronici strutturati dipendono ancora dai loro invarianti topologici globali.
Questo studio non solo amplia la comprensione teorica dei vortici elettronici, ma dimostra anche sperimentalmente la fattibilità del controllo delle loro modalità di intensità manipolando la struttura locale del fascio di elettroni. Grazie al suo ulteriore grado di libertà controllabile, i vortici elettronici strutturati come sonda quantistica di elettroni hanno un grande potenziale nella microscopia elettronica e possono ulteriormente promuovere varie applicazioni in situ, come la manipolazione elettronica di nanoparticelle lungo traiettorie progettate, l'interazione dipendente dal modello di elettroni momento angolare orbitale con la materia e modi plasmonici di superficie selettivamente eccitanti e sondanti.
I vortici elettronici strutturati possono anche essere utilizzati direttamente in litografia per produrre nanostrutture sagomate senza la necessità di scansionare il fascio. Inoltre, tali concetti e l'approccio di generazione sono convenienti da generalizzare ad altri sistemi di particelle, come neutrone, protone, atomo e molecola. Ciò fornisce nuove prospettive e metodi per ulteriori ricerche e applicazioni dei fasci di particelle.