Kajian penyelidikan baru dari Pendahuluan Opto-Elektronik membincangkan menyesuaikan rasuk vorteks elektron dengan corak keamatan yang boleh disesuaikan oleh holografi difraksi elektron.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, komuniti saintifik telah menyaksikan kejayaan ketara dalam kajian dan pembangunan vorteks elektron. Pusaran elektron ialah rasuk elektron yang membawa momentum sudut orbit, bermakna elektron bergerak bukan sahaja dalam arah perambatannya tetapi juga berputar dalam cara seperti pusaran. Ciri unik ini menawarkan banyak sifat fizikal baharu dan aplikasi yang berpotensi, menjadikannya alat yang berkuasa dalam meneroka struktur mikroskopik dan sifat fizikal bahan, terutamanya dalam bidang seperti spektroskopi kehilangan tenaga kiral dan spektroskopi dikroisme magnetik.
Kajian vorteks elektron didorong oleh pemahaman yang lebih mendalam tentang zarah asas, seperti foton dan elektron. Pada tahun 1992, Allen dan yang lain mendapati bahawa pancaran cahaya boleh membawa momentum sudut orbit terkuantisasi, meletakkan asas teori untuk pusaran elektron teknologi. Elektron, sebagai zarah bercas, mempamerkan tingkah laku seperti gelombang yang serupa dengan foton, membolehkan mereka dimanipulasi dan dibentuk seperti gelombang cahaya untuk menjana ciri-ciri pusaran. Perkembangan teknologi vorteks elektron berpunca daripada meneroka dan menggunakan sifat zarah seperti gelombang ini.
Sejak penciptaan pertama yang berjaya bagi vorteks elektron pada tahun 2010, bidang ini telah mengalami perkembangan yang ketara. Pada mulanya, vorteks elektron dijana menggunakan plat fasa lingkaran yang terdiri daripada filem grafit yang disusun secara spontan untuk memberikan momentum sudut orbit kepada rasuk elektron kejadian. Para saintis kemudiannya meneroka pelbagai kaedah untuk menghasilkan vorteks elektron, seperti topeng holografik, penyimpangan kanta magnetik, dan jarum magnetik. Teknik ini bukan sahaja menghasilkan rasuk elektron dengan momentum sudut orbit tertentu tetapi juga memanipulasi interaksi vorteks elektron dengan jirim dan medan elektrik dan magnet luar.
Walaupun terdapat kemajuan yang ketara dalam konsep dan aplikasi vorteks elektron, vorteks tradisional mempunyai had dalam mod keamatannya, biasanya mempersembahkan corak cincin bulat isotropik. Had ini disebabkan oleh taburan kecerunan fasa malar bagi rasuk elektron, menyekat kepelbagaian bentuk rasuk elektron dan mengehadkan aplikasi potensi vorteks elektron.
Pengarang kajian telah mencipta vorteks elektron berstruktur dengan taburan keamatan tidak homogen berdasarkan hubungan antara sudut pencapahan tempatan dan kecerunan fasa azimut bagi rasuk elektron. Kejayaan ini bermakna corak keamatan vorteks elektron boleh disesuaikan mengikut keperluan khusus, membuka dimensi baharu untuk manipulasi dan penggunaan pancaran elektron.
Penulis telah menunjukkan cara melaraskan elektron bebas kejadian dalam mikroskop elektron penghantaran menggunakan hologram yang dijana komputer dan topeng fasa yang direka untuk menghasilkan vorteks elektron berstruktur dengan corak keamatan yang berbeza. Kaedah ini membolehkan penyelidik mencipta vorteks elektron dengan pelbagai corak keamatan, seperti daun semanggi, lingkaran dan bentuk anak panah tersuai, masing-masing membawa momentum sudut orbit yang sama.
Kajian itu mendedahkan bahawa walaupun vorteks elektron ini boleh dikira secara makroskopik oleh integer tunggal yang menerangkan invarian topologi globalnya, secara mikroskopik, ia sebenarnya merupakan superposisi bagi keadaan eigen yang berbeza yang terhasil daripada struktur geometri tempatan yang berbeza-beza. Penemuan ini penting untuk memahami dan menggunakan vorteks elektron.
Satu lagi pencapaian penting dalam penyelidikan ini ialah penerokaan keadaan superposisi koheren bagi vorteks elektron berstruktur. Dengan mereka bentuk topeng fasa untuk menjana vorteks elektron berstruktur dengan cas topologi yang berbeza, eksperimen berjaya menghasilkan keadaan superposisi dengan taburan keamatan yang berbeza. Keadaan ini mempamerkan corak gangguan berbentuk kelopak yang unik, mengesahkan bahawa walaupun terdiri daripada satu siri mod momentum sudut orbital diskret secara mikroskopik, keadaan superposisi koheren bagi vorteks elektron berstruktur masih bergantung pada invarian topologi global mereka.
Kajian ini bukan sahaja meluaskan pemahaman teori vorteks elektron tetapi juga menunjukkan secara eksperimen kebolehlaksanaan mengawal mod keamatannya dengan memanipulasi struktur setempat pancaran elektron. Terima kasih kepada tahap kebebasan tambahan yang boleh dikawal, pusaran elektron berstruktur sebagai probe elektron kuantum mempunyai potensi besar dalam mikroskop elektron dan boleh menggalakkan lagi pelbagai aplikasi in-situ, seperti manipulasi elektron nanozarah di sepanjang trajektori yang direka bentuk, interaksi elektron yang bergantung kepada corak. momentum sudut orbit dengan jirim, dan mod plasmon permukaan yang mengujakan dan menyelidik secara terpilih.
Pusaran elektron berstruktur juga boleh digunakan secara langsung dalam litografi untuk menghasilkan struktur nano berbentuk tanpa perlu mengimbas pancaran. Selain itu, konsep dan pendekatan penjanaan sedemikian mudah untuk digeneralisasikan kepada sistem zarah lain, seperti neutron, proton, atom dan molekul. Ini menyediakan perspektif dan kaedah baharu untuk penyelidikan lanjut dan aplikasi pancaran zarah.