Ученые из США предложили новый вариант специфического луча электронов для применения в просвечивающем электронном микроскопе (transmission electron microscopy, TEM). Новая вариация прибора позволит наблюдать большее число деталей о наномире благодаря более высокому разрешению картинки. Подобная методика позволит отображать не только структуру твердых тел, но также бактерии или отдельные молекулы белков.

Рис. 1. Электронный луч, использовавшийся
на эксперименте.

Принцип работы просвечивающего электронного микроскопа подразумевает пропускание через образец пучка электронов и исследование картины рассеяния для получения информации о структуре образца. Теоретически, микроскопы, формирующие искривленный «рабочий» поток электронов, должны обеспечивать большее разрешение картинки, ведь электроны в таком случае будут обмениваться с частицами вещества большим угловым моментом. Этот подход (искривление «рабочих» лучей) уже применяется в оптической микроскопии, однако до сих пор была не решена проблема искривления луча электронов для применение в TEM. Это связано с тем, что волны электронного излучения обладают гораздо меньшей длиной волны, по сравнению с видимым светом, т.е. для искривления им необходимо пройти через гораздо более миниатюрные структуры. На сегодняшний день существуют методы искривления электронных лучей, но они достаточно сложны для воспроизведения и не всегда позволяют добиться требуемого результата.

Но недавно группа исследователей из National Institute of Standards and Technology (NIST, США) опубликовала работу, в которой была описана еще одна методика решения этой проблемы. Ученые предложили пропускать электронные лучи просвечивающего микроскопа через специальным образом сформированную голограмму, в результате чего лучи подвергаются дифракции. Благодаря этому явлению из первоначального электронного излучения порождается одна плоская волна и несколько искривленных. Работа ученых заключалась в том, что они описали полученные волны и исследовали их поведение на достаточном удалении от голограммы. Как было отмечено выше, существуют и другие методики искривления электронных лучей. Однако исследовательская группа утверждает, что их дифракция на голограмме позволяет управлять формированием волн, точно «настраивая» их орбитальный импульс.

Голограммы на эксперименте производились при помощи сфокусированного ионного луча, проходящего через тонкую кремниевую пленку толщиной порядка 30 нм, на которой были нанесены разрезы шириной порядка 20 нм. Кремний в данном случае оказался идеальным материалом, т.к., с одной стороны, он достаточно механически прочен, чтобы выдержать облучение электронным пучком в 200 КэВ, а с другой – миниатюрен, что позволяет разместить его внутри просвечивающего электронного микроскопа, не изменяя конструкцию прибора.

Искривленные лучи помогут ученым получить более четкую картинку не только для структуры твердых веществ, но и для биологических объектов. Кроме того, при помощи подобной техники могут отображаться магнитные материалы, т.к. они могут оказывать свое влияние на угловой момент электронного луча. Фактически, это новый способ исследования магнитных материалов.

К слову, ранее другими группами предлагались не только принципиально другие идеи создания искривленного электронного луча, но и похожие методики, базирующиеся на голограмме. Однако до сих пор никто не применял для этих целей голограмму наномасштаба. Исследовательская группа продолжает работу над дальнейшим уменьшением голограмм.