Физики из Германии научились получать «наклоненные» фемтосекундные пучки электронов, волновой фронт которых распространяется под углом к направлению движения пучка. Для этого ученые пропускали электроны через тонкое алюминиевое зеркало и светили на них терагерцовым излучением, растягивающим и поворачивающим пучок. Статья опубликована в Pysical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics. Этот результат позволит получить на некоторых типах электронных микроскопов значительно лучшее пространственное и временное разрешение, и даст возможность, например, следить за ходом химических реакций в режиме реального времени.

Исторически ученые используют оптические микроскопы, чтобы изучать небольшие объекты — впервые такие микроскопы были сконструированы еще в начале XVII века, и именно с их помощью биологи открыли одноклеточные организмы и изучили клеточную структуру тканей. К сожалению, возможности таких микроскопов ограничены дифракционным пределом, который не позволяет разрешить объекты с характерным размером много меньше длины волны видимого света (400–750 нанометров). С другой стороны, разрешение микроскопа можно повысить, заменяя фотоны частицами с меньшей длиной волны — например, релятивистскими электронами. Это позволяет увеличить разрешение до десятых долей ангстрема и увидеть отдельные атомы и молекулы.

D. Ehberger et al. / Phys. Rev. Lett.

В последнее время физики все больше интересуются не только пространственными, но и временны́ми характеристиками наблюдаемых процессов — например, пытаются увидеть, как атомы перемещаются в пространстве или взаимодействуют друг с другом в ходе химической реакции. Чтобы ухватить такие особенности, нужно получать «сжатые» пучки электронов, характерное время движения которых (например, время, в течение которого электроны проходят через образец) не превышает характерное время исследуемого процесса. Как правило, это время равно нескольким фемтосекундам (одна фемтосекунда = 10⁻¹⁵ секунд).

Группа исследователей под руководством Питера Баума придумала, как можно «наклонить» волновой фронт фемтосекундного электронного пучка по отношению к направлению его движения. Когда такой «наклоненный» электронный пучок падает перпендикулярно поверхности образца, по ней начинает бежать «волна» энергии с эффективной скоростью v = c/tgθ, где с — скорость пучка, а θ — угол наклона; в обычных пучках (θ = 0°) энергия высвобождается одномоментно. В оптической микроскопии получить «наклоненные» пучки очень просто — достаточно пропустить электромагнитную волну через призму, и из-за дисперсии гармоники с разной частотой будут преломляться на различные углы, формируя наклоненный волновой фронт. Как правило, такие пучки используют для возбуждения образцов. К сожалению, применить этот метод для электронных пучков нельзя.

Схема получения «наклоненного» оптического (сверху) и электронного (снизу) пучка. APS / Alan Stonebraker

Тем не менее, ученым удалось придумать способ, с помощью которого можно «наклонить» электронный пучок, используя терагерцовое излучение и зеркало из металлической фольги. Суть этого метода заключается в том, что под действием электрического поля электромагнитной волны электроны пучка ускоряются, и его форма изменяется. А поскольку характерное время электромагнитных колебаний (10⁻¹² секунд) много больше характерного времени прохождения пучка (10⁻¹⁵ секунд), поле можно считать «застывшим» во времени, а его пространственную часть описывать «мгновенным снимком» электромагнитной волны (на рисунке эта часть представлена синусоидой, которая отражает абсолютную величину вектора напряженности).

Если поле направлено перпендикулярно направлению движения пучка, его передняя и задняя часть также «растаскиваются» в противоположные стороны перпендикулярно движению, и пучок наклоняется. Если же поле направлено вдоль пучка, передняя и задняя части «прижимаются» друг к другу. Чтобы скомбинировать оба эффекта и получить сжатый наклоненный пучок, ученые использовали зеркало из тонкой алюминиевой фольги (толщина около 10 нанометров), которое свободно пропускает электроны и практически полностью отражает терагерцовое излучение. Поворачивая зеркало под нужным углом, исследователи добились того, чтобы продольная и поперечная компоненты электрического поля волны выстроились нужным образом, и повернули волновой фронт электронного пучка по отношению к направлению его движения. Частота электромагнитного излучения при этом составляла 0,3 терагерца, а кинетическая энергия электронов достигала 70 килоэлектронвольт, что отвечает скорости частиц около 0,5 от скорости света.

Искажение формы пучка под действием поперечного (слева) и продольного (справа) электрического поля. APS / Alan Stonebraker

В результате ученым удалось получить пучки с углами наклона вплоть до θ = 10 градусов (при больших значениях пучки слишком сильно размывались). Результаты эксперимента при этом хорошо согласовались с теорией. Длина волны таких пучков в сто миллионов раз меньше, чем длина волны оптических «наклоненных» пучков, что позволяет существенно повысить разрешение исследуемых объектов. Кроме того, электроны в пучке ведут себя практически независимо: их пространственная корреляция не превышала 10−4, а временна́я — 10−2.

(a) Изображения пучка на экране, полученные для различных углов наклона зеркала; угол «наклона» определяется по углу пунктирной линии. (b) Рефлектограммы для различных углов наклона зеркала. D. Ehberger et al. / Phys. Rev. Lett.

Авторы статьи считают, что их работа поможет добиться фемтосекундного разрешения накачивающе-зондовой микроскопии (pump-probe microscopy) — метода, в ходе которого образец возбуждается оптической волной, а его поведение отслеживается с помощью коротких пучков электронов. В самом деле, разработанный метод позволяет использовать «наклоненные» пучки не только для возбуждения, но и для считывания состояния образца, а также синхронизировать фазовую скорость «волн» энергии, бегущих по его поверхности.

В июле 2016 года физики Андрей Рябов и Питер Баум (два из трех соавторов новой работы) разработали новую методику микроскопии, которая основана на фемтосекундных пучках электронов и позволяет увидеть сверхбыстрые колебания электромагнитного поля. В сентябре 2017 года швейцарские исследователи придумали и реализовали на практике метод получения трехмерных изображений нанообъектов с помощью просвечивающей электронной микроскопии; для этого ученые «сжимали» пучки электронов в узкие конусы с помощью системы фокусирующих магнитных линз. А в июле 2018 года американские физики довели до 0,039 нанометра разрешение изображений, получаемых с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Для этого ученые использовали технику птихографии, то есть восстанавливали изображение по большому числу дифракционных спектров, полученных при различных параметрах съемки.

Автор: Дмитрий Трунин