מחקר חדש מאת התקדמות אופטו-אלקטרונית דן בהתאמת קרני מערבולת אלקטרונים עם דפוסי עוצמה הניתנים להתאמה אישית על ידי הולוגרפיה של עקיפות אלקטרונים.
בשנים האחרונות, הקהילה המדעית עדה לפריצת דרך בולטת בחקר ופיתוח מערבולות אלקטרונים. מערבולות אלקטרונים הן קרני אלקטרונים הנושאות תנע זוויתי מסלולי, כלומר האלקטרונים נעים לא רק בכיוון ההתפשטות שלהם אלא גם מסתובבים בצורה דמויית מערבולת. מאפיין ייחודי זה מציע תכונות פיסיקליות רבות ויישומים פוטנציאליים, מה שהופך אותו לכלי רב עוצמה בחקר מבנים מיקרוסקופיים ותכונות פיזיקליות של חומרים, במיוחד בתחומים כמו ספקטרוסקופיה של אובדן אנרגיה כיראלית וספקטרוסקופיה דיכרואיזם מגנטית.
חקר מערבולות אלקטרונים מונע על ידי הבנה עמוקה יותר של חלקיקים בסיסיים, כגון פוטונים ואלקטרונים. בשנת 1992, אלן ואחרים גילו שאלומות אור יכולות לשאת תנע זוויתי מסלולי כמותי, מה שמניח את הבסיס התיאורטי למערבולת אלקטרונים טֶכנוֹלוֹגִיָה. אלקטרונים, כחלקיקים טעונים, מציגים התנהגויות דמויות גל הדומות לפוטונים, מה שמאפשר לתמרן ולעצב אותם כמו גלי אור כדי ליצור מאפייני מערבולת. הפיתוח של טכנולוגיית מערבולת אלקטרונים נובע מחקירה וניצול של תכונות דמויות גל אלו של חלקיקים.
מאז היצירה המוצלחת הראשונה של מערבולות אלקטרונים ב-2010, תחום זה עבר התפתחות משמעותית. בתחילה, נוצרו מערבולות אלקטרונים באמצעות לוחות פאזה ספירליים המורכבים מסרטי גרפיט מוערמים באופן ספונטני כדי להקנות תנע זוויתי מסלולי לקורות אלקטרונים נוקבות. מאוחר יותר חקרו מדענים שיטות שונות ליצירת מערבולות אלקטרונים, כגון מסכות הולוגרפיות, סטיות עדשות מגנטיות ומחטים מגנטיות. טכניקות אלו לא רק מייצרות קרני אלקטרונים עם תנע זוויתי מסלולי ספציפי, אלא גם מתפעלות את האינטראקציות של מערבולות אלקטרונים עם חומר ושדות חשמליים ומגנטיים חיצוניים.
למרות ההתקדמות המשמעותית בתפיסה וביישום של מערבולות אלקטרונים, למערבולות מסורתיות יש מגבלות במצבי העוצמה שלהן, המציגות בדרך כלל דפוסי טבעות מעגליות איזוטרופיות. מגבלה זו נובעת מהתפלגות שיפוע הפאזה הקבועה של אלומת האלקטרונים, המגבילה את מגוון צורות אלומת האלקטרונים ומגבילה את היישומים הפוטנציאליים של מערבולות אלקטרונים.
מחברי המחקר יצרו מערבולות אלקטרונים מובנות עם התפלגויות עוצמה לא הומוגניות המבוססות על הקשר בין זווית ההסתייגות המקומית ושיפוע הפאזה האזימוטלי של קרני אלקטרונים. פריצת דרך זו פירושה שניתן להתאים את דפוסי האינטנסיביות של מערבולות אלקטרונים בהתאם לצרכים ספציפיים, תוך פתיחת ממדים חדשים למניפולציה ויישום של קרני אלקטרונים.
המחברים הדגימו כיצד להתאים אלקטרונים חופשיים מאירועים במיקרוסקופ אלקטרוני שידור באמצעות הולוגרמות שנוצרו על ידי מחשב ומסכות פאזה שתכננו לייצר מערבולות אלקטרונים מובנות עם דפוסי עוצמה שונים. שיטה זו מאפשרת לחוקרים ליצור מערבולות אלקטרונים עם דפוסי עוצמה שונים, כגון עלה תלתן, ספירלה וצורות חץ מותאמות אישית, כל אחת נושאת את אותו תנע זוויתי מסלולי.
המחקר מגלה שלמרות שניתן לכמת את מערבולות האלקטרונים הללו באופן מקרוסקופי על ידי מספר שלם יחיד המתאר את השונות הטופולוגית הגלובלית שלהן, מבחינה מיקרוסקופית, הן למעשה סופרפוזיציה של מצבים עצמיים שונים הנובעים ממבנים גיאומטריים משתנים מקומית. גילוי זה משמעותי להבנה ויישום מערבולות אלקטרונים.
הישג חשוב נוסף של מחקר זה הוא חקר מצבי הסופרפוזיציה הקוהרנטיים של מערבולות אלקטרונים מובנות. על ידי תכנון מסכות פאזה ליצירת מערבולות אלקטרונים מובנות עם מטענים טופולוגיים שונים, הניסוי הצליח לייצר מצבי סופרפוזיציה עם התפלגויות עוצמה שונות. מצבים אלו הציגו דפוסי התערבות ייחודיים בצורת עלי כותרת, המאשרים שלמרות היותם מורכבים מסדרה של מצבי תנע זוויתי מסלוליים נפרדים באופן מיקרוסקופי, מצבי הסופרפוזיציה הקוהרנטיים של מערבולות אלקטרונים מובנות עדיין תלויים באינווריאציות הטופולוגיות הגלובליות שלהן.
מחקר זה לא רק מרחיב את ההבנה התיאורטית של מערבולות אלקטרונים אלא גם מדגים באופן ניסיוני את ההיתכנות של שליטה במצבי העוצמה שלהם על ידי מניפולציה של המבנה המקומי של אלומת האלקטרונים. הודות לדרגת החופש הנוספת הניתנת לשליטה, מערבולות האלקטרונים המובנות כגשושית אלקטרונים קוונטית טומנת בחובה פוטנציאל רב במיקרוסקופ אלקטרוני ויכולות לקדם עוד יישומים שונים באתר, כגון מניפולציה של אלקטרונים של ננו-חלקיקים לאורך מסלולים מתוכננים, אינטראקציה תלוית דפוס של אלקטרונים. תנע זוויתי מסלולי עם חומר, ובאופן סלקטיבי מרגש וחטטני של פני השטח.
ניתן להשתמש במערבולות האלקטרונים המובנות ישירות בליתוגרפיה לייצור ננו-מבנים מעוצבים ללא צורך לסרוק את האלומה. יתר על כן, נוח להכליל מושגים וגישת יצירה כאלה למערכות חלקיקים אחרות, כגון נויטרונים, פרוטון, אטום ומולקולה. זה מספק נקודות מבט ושיטות חדשות למחקר ויישומים נוספים של קרני חלקיקים.