Физики из Антверпенского университета (Бельгия) и Венского технического университета (Австрия) нашли простой способ создания вихревого пучка в обычном электронном микроскопе.

Получать такие пучки с применением фотонов специалисты научились довольно давно. Важно понимать следующее: если обычному лазерному пучку можно поставить в соответствие систему волновых фронтов (поверхностей, во всех точках которых световые колебания имеют одинаковую фазу), близких к плоскостям, то вихревой его разновидности соответствует единая поверхность волнового фронта винтовой структуры. Лазерные «вихри» часто используются в так называемых оптических пинцетах для перемещения микрометровых частиц; поскольку вихревой пучок имеет ненулевой орбитальный угловой момент, с его помощью также можно вращать микрообъекты.

Рис. 1. Волновые фронты плоской и «спиральной» волн и спиральная фазовая пластинка (иллюстрация из журнала Nature).

Перейти от фотонов к электронам оказалось довольно сложно, но в начале этого года японским учёным удалось продемонстрировать рабочую установку. Для получения вихревого пучка они использовали простую спиральную фазовую пластинку, изготовленную из тонких графитовых плёнок, которые были сложены так, чтобы воспроизвести несколько «ступеней» винтовой лестницы. Основной недостаток методики заключался в том, что графитовая пластинка быстро разрушалась и теряла свои свойства.

Европейские физики пошли по другому пути и задействовали в экспериментах долговечную маску из платиновой фольги, необходимые параметры рисунка которой были рассчитаны на компьютере.

Мы получили требуемый вихревой пучок с первой попытки, — говорит один из авторов Джо Вербек (Jo Verbeeck). — В этом преимущество нового способа: другие учёные легко повторят наш опыт».

Вихревые пучки электронов, которые, в отличие от фотонов, обладают зарядом, можно применять для исследования магнитных свойств материалов, и г-н Вербек и его коллеги уже показали, как это будет выглядеть, на примере ферромагнитного слоя железа. Сейчас физики пытаются приспособить электронные «вихри» для манипулирования отдельными атомами.

Рис. 2. Платиновая маска, с помощью которой получают электронный вихревой пучок (иллюстрация из журнала Nature).

Результаты исследований опубликованы в статье

J. Verbeeck, H. Tian & P. Schattschneider Production and application of electron vortex beams – Nature. V.467. – P.301–304. (16 September 2010) doi:10.1038/nature09366.

Подготовлено по материалам: