Физики из Германии и США создали источник электронов с чрезвычайно узкой (до 16 миллиэлектронволь) энергетической шириной излучения, высокой яркостью и стабильностью. Им удалось добиться этого с помощью крохотного нановыступа на конце тонкой ниобиевой иглы. Новое устройство не только поможет исследовать молекулярные резонансы в образцах, но и будет способно излучать электроны с когерентностью, достаточной для использования их в квантовых технологиях.

Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Изобретение электронного микроскопа совершило революцию в физике, химии и биологии. Его главным преимуществом по сравнению с оптическим микроскопом стала возможность фокусировки электронного луча в пятно, размер которого существенно ниже оптического дифракционного предела. Рассеиваясь на очень маленьких объектах, электроны способны формировать изображения с поверхности образцов, так и со всего объема.

Сегодня разрешение электронных микроскопов достигло атомных и субатомных масштабов, что позволяет видеть все атомы и их положения в образце. Но дело не ограничивается упругим рассеянием. Электронные пучки способны ударно возбуждать в веществе резонансы самой различной природы, благодаря высокому контролю кинетической энергии заряженных частиц. Эта идея лежит в основе спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (EELS).

Отдельный интерес представляет применение метода EELS к исследованию колебательной энергетической структуры молекул. Проблема заключается в том, что для этого энергетическое разрешение электронного пучка должно быть порядка нескольких миллиэлектронвольт, в то время как современные микроскопы разгоняют электроны до нескольких сотен килоэлектронвольт. Существующие наработки пытаются достичь такой точности, однако это происходит в ущерб яркости электронного источника или стабильности.

Найти компромисс удалось группе физиков из Германии и США под руководством Александера Стибора (Alexander Stibor) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Они изготовили источник полевой эмиссии электронов на основе ниобиевой иглы с крохотным нановыступом на конце. Такая схема позволила добиться очень малого энергетического разрешения вместе с высокой яркостью, малым углом расхождения и высокой стабильностью.