새로운 연구 조사 광전자 발전 전자 회절 홀로그래피를 통해 사용자 정의 가능한 강도 패턴으로 전자 소용돌이 빔을 조정하는 방법에 대해 설명합니다.
최근 몇 년 동안 과학계는 전자 소용돌이의 연구 및 개발에서 주목할만한 돌파구를 목격했습니다. 전자 소용돌이는 궤도 각운동량을 전달하는 전자빔입니다. 즉, 전자는 전파 방향으로 움직일 뿐만 아니라 소용돌이와 같은 방식으로 회전합니다. 이 고유한 특성은 많은 새로운 물리적 특성과 잠재적인 응용을 제공하므로 특히 키랄 에너지 손실 분광법 및 자기 이색성 분광법과 같은 분야에서 물질의 미세한 구조와 물리적 특성을 탐색하는 데 강력한 도구가 됩니다.
전자 소용돌이에 대한 연구는 광자 및 전자와 같은 기본 입자에 대한 더 깊은 이해를 바탕으로 이루어집니다. 1992년에 Allen과 다른 사람들은 광선이 양자화된 궤도 각운동량을 전달할 수 있음을 발견하여 전자 소용돌이의 이론적 토대를 마련했습니다. technology. 전하를 띤 입자인 전자는 광자와 유사한 파동과 같은 행동을 나타내므로 빛의 파동처럼 조작되고 형성되어 소용돌이 특성을 생성할 수 있습니다. 전자 소용돌이 기술의 개발은 이러한 입자의 파동 특성을 탐구하고 활용하는 데서 비롯됩니다.
2010년 처음으로 전자 소용돌이 생성에 성공한 이후 이 분야는 상당한 발전을 이루었습니다. 처음에는 입사 전자빔에 궤도 각 운동량을 부여하기 위해 자발적으로 적층된 흑연 필름으로 구성된 나선형 위상판을 사용하여 전자 소용돌이를 생성했습니다. 과학자들은 나중에 홀로그램 마스크, 자기 렌즈 수차, 자기 바늘과 같은 전자 소용돌이를 생성하는 다양한 방법을 탐구했습니다. 이러한 기술은 특정 궤도 각 운동량을 갖는 전자빔을 생성할 뿐만 아니라 전자 소용돌이와 물질 및 외부 전기장 및 자기장의 상호 작용을 조작합니다.
전자 소용돌이의 개념과 적용이 크게 발전했음에도 불구하고 전통적인 소용돌이는 강도 모드에 한계가 있으며 일반적으로 등방성 원형 고리 패턴을 나타냅니다. 이러한 제한은 전자빔의 일정한 위상 구배 분포로 인해 발생하며, 전자빔 모양의 다양성을 제한하고 전자 소용돌이의 잠재적인 적용을 제한합니다.
이 연구의 저자는 전자빔의 국부 발산각과 방위각 위상 구배 사이의 관계를 기반으로 비균질한 강도 분포를 갖는 구조화된 전자 소용돌이를 만들었습니다. 이러한 획기적인 발전은 전자 소용돌이의 강도 패턴을 특정 요구에 따라 맞춤화할 수 있으며 전자빔의 조작 및 적용을 위한 새로운 차원을 열 수 있음을 의미합니다.
저자는 컴퓨터 생성 홀로그램을 사용하여 투과 전자 현미경에서 입사 자유 전자를 조정하는 방법과 다양한 강도 패턴을 가진 구조화된 전자 소용돌이를 생성하기 위해 위상 마스크를 설계하는 방법을 시연했습니다. 이 방법을 통해 연구자들은 각각 동일한 궤도 각운동량을 전달하는 클로버잎, 나선형 및 맞춤형 화살표 모양과 같은 다양한 강도 패턴을 가진 전자 소용돌이를 생성할 수 있습니다.
이번 연구는 이러한 전자 소용돌이가 전체적 위상 불변성을 설명하는 단일 정수로 거시적으로 정량화될 수 있지만 미시적으로는 실제로는 국지적으로 다양한 기하학적 구조로 인해 발생하는 다양한 고유 상태의 중첩이라는 사실을 보여줍니다. 이 발견은 전자 소용돌이를 이해하고 적용하는 데 중요합니다.
이 연구의 또 다른 중요한 성과는 구조화된 전자 소용돌이의 응집성 중첩 상태를 탐구한 것입니다. 서로 다른 위상 전하를 갖는 구조화된 전자 소용돌이를 생성하는 위상 마스크를 설계함으로써 실험은 서로 다른 강도 분포를 갖는 중첩 상태를 성공적으로 생성했습니다. 이러한 상태는 독특한 꽃잎 모양의 간섭 패턴을 나타내어 현미경으로 일련의 이산 궤도 각운동량 모드로 구성되어 있음에도 불구하고 구조화된 전자 소용돌이의 일관된 중첩 상태가 여전히 전역 위상 불변에 의존한다는 것을 확인했습니다.
이 연구는 전자 소용돌이에 대한 이론적 이해를 넓힐 뿐만 아니라 전자빔의 국소 구조를 조작하여 강도 모드를 제어할 수 있는 가능성을 실험적으로 보여줍니다. 추가로 제어 가능한 자유도 덕분에 양자 전자 프로브로서 구조화된 전자 소용돌이는 전자 현미경에서 큰 잠재력을 가지며 설계된 궤적을 따라 나노입자의 전자 조작, 전자의 패턴 의존적 상호 작용과 같은 다양한 현장 응용을 더욱 촉진할 수 있습니다. 물질의 궤도 각운동량, 선택적으로 여기 및 탐색 표면 플라즈몬 모드.
구조화된 전자 소용돌이는 빔을 스캔할 필요 없이 리소그래피에 직접 사용되어 모양의 나노구조를 생성할 수도 있습니다. 더욱이, 이러한 개념과 생성 접근법은 중성자, 양성자, 원자 및 분자와 같은 다른 입자 시스템으로 일반화하는 데 편리합니다. 이는 입자빔의 추가 연구 및 응용을 위한 새로운 관점과 방법을 제공합니다.