Вихревые пучки, которые вращаются словно торнадо, открывают совершенно новые возможности для электронной микроскопии

Метод образования вихревых пучков высокой интенсивности был открыт в Венском технологическом университете (TU Vienna).

В настоящее время электронные микроскопы – очень значимые инструменты, особенно в сфере материаловедения. В TU Vienna обнаружили, что электронные пучки обладают внутренним вращением, подобно торнадо. Такие «вихревые пучки» могут использоваться не только для отображения объектов, но и для изучения специфических свойств материалов с точностью до нанометра. Данный прорыв в исследованиях теперь позволяет ученым генерировать намного более интенсивные вихревые пучки, чем когда-либо прежде.

Квантовое торнадо: электрон в виде волны

В торнадо отдельные частицы воздуха не обязательно вращаются вокруг своих осей, но всасывание воздуха в целом создает мощное вращение. Это очень похоже на то, как ведут себя электронные лучи, сгенерированные в Венском ТУ. Чтобы понять их природу, мы должны перестать представлять электроны как точки или гранулы, поскольку в этом случае они бы вращались в основном вокруг своих осей. Вихревые пучки можно описать только в терминах квантовой физики: электроны ведут себя словно волны, и эти квантовые волны могут вращаться, как, например, торнадо или вода за винтом судна.

«Как только вихревой пучок обретает угловой момент, он способен передать этот момент объекту, с которым сталкивается, – объясняет профессор Петер Шаттшнайдер из Института физики твердого тела в Венском ТУ. – Угловой момент электронов в твердом объекте тесно связан с его магнитными свойствами. Для тех, кто занимается изучением материалов, это дает серьезное преимущество, так как позволяет делать заявления относительно условий углового момента на основе новых электронных пучков, о которых идет речь».

Петер Шаттшнайдер и Михаэль Штегер-Поллах (USTEM, Венский ТУ) работали совместно с группой исследователей из Антверпена над созданием наиболее интенсивных, чистых и контролируемых вихревых пучков, которые возможно сгенерировать в трансмиссионном электронном микроскопе. Первые успешные результаты были получены два года назад: электронный пучок был пропущен через мелкую сеточную маску, посредством чего он разделился на три части: одна вращалась вправо, одна – влево и еще один пучок не вращался вовсе.

А недавно был разработан намного более мощный метод: исследователи использовали экран, половина которого покрыта слоем нитрида кремния. Данный слой настолько тонкий, что электроны могут проникать через него практически без поглощения, однако они могут при этом получить «сдвиг».

«После фокусировки с использованием адаптированных астигматических линз удалось получить отдельный вихревой пучок», – объясняет Михаэль Штегер-Поллах.

«Полученный пучок на порядок более интенсивный по мощности, чем вихревые пучки, которые нам удавалось получить до этого. Во-первых, мы не разбиваем пучок на три части, как в случае с сеточной маской, а закручиваем входящий поток электронов во вращение. Во-вторых, сеточная маска имела недостаток, поскольку блокировала половину электронов, а новый специальный экран этого не делает», – говорит Штегер-Поллах.

Благодаря новой технологии пучки с левым и правым вращением могут отличаться надежностью: ранее это удавалось с трудом. Если сейчас мы придадим определенный угловой момент право- и левонаправленному пучку, вращение одного из них увеличится, в то время как другого – уменьшится.

В прошлом, чтобы создать вихревые пучки, использовались специальные сетчатые маски. Фото с сайта mc2quantum.com

Электронные микроскопы с «торнадо»

Эта новая технология была описана исследовательской группой в журнале Physical Review Letters. В будущем цель состоит в том, чтобы применить метод в материаловедении. Магнитные свойства часто ставят в центр внимания, особенно в случае недавно развитых высокотехнологичных материалов.

«Транслирующий электронный микроскоп с вихревыми пучками позволил бы нам исследовать эти свойства с нанометрической точностью», – объясняет Петер Шаттшнайдер.

Есть также идеи более экзотического применения вихревых пучков. В принципе, применяя использование этих лучей, можно преобразовать в вихревое движение все виды объектов – даже отдельные молекулы. Поэтому вихревые пучки способны также открыть новые двери в развитие нанотехнологий.

Материал: Александр Фёдоров