Une nouvelle étude de recherche de Opto-Electronic Advances discute de l'adaptation des faisceaux de vortex d'électrons avec des modèles d'intensité personnalisables par holographie par diffraction électronique.
Ces dernières années, la communauté scientifique a été témoin d’une avancée notable dans l’étude et le développement des vortex électroniques. Les vortex électroniques sont des faisceaux d'électrons qui transportent un moment cinétique orbital, ce qui signifie que les électrons se déplacent non seulement dans leur direction de propagation, mais tournent également à la manière d'un vortex. Cette caractéristique unique offre de nombreuses nouvelles propriétés physiques et applications potentielles, ce qui en fait un outil puissant pour explorer les structures microscopiques et les propriétés physiques des matériaux, en particulier dans des domaines tels que la spectroscopie de perte d'énergie chirale et la spectroscopie de dichroïsme magnétique.
L’étude des vortex électroniques repose sur une compréhension plus approfondie des particules fondamentales, telles que les photons et les électrons. En 1992, Allen et d’autres ont découvert que les faisceaux lumineux pouvaient transporter un moment angulaire orbital quantifié, jetant ainsi les bases théoriques de la technologie des vortex électroniques. Les électrons, en tant que particules chargées, présentent des comportements ondulatoires similaires à ceux des photons, ce qui leur permet d'être manipulés et façonnés comme des ondes lumineuses pour générer des caractéristiques de vortex. Le développement de la technologie des vortex électroniques découle de l'exploration et de l'utilisation de ces propriétés ondulatoires des particules.
Depuis la première création réussie de vortex électroniques en 2010, ce domaine a connu un développement important. Initialement, des vortex électroniques étaient générés à l'aide de plaques de phase en spirale composées de films de graphite empilés spontanément pour transmettre un moment cinétique orbital aux faisceaux d'électrons incidents. Les scientifiques ont ensuite exploré diverses méthodes pour générer des vortex électroniques, telles que les masques holographiques, les aberrations de lentilles magnétiques et les aiguilles magnétiques. Ces techniques produisent non seulement des faisceaux d'électrons avec un moment cinétique orbital spécifique, mais manipulent également les interactions des vortex électroniques avec la matière et les champs électriques et magnétiques externes.
Malgré les progrès significatifs dans le concept et l'application des vortex électroniques, les vortex traditionnels présentent des limitations dans leurs modes d'intensité, présentant généralement des motifs d'anneaux circulaires isotropes. Cette limitation est due à la distribution constante du gradient de phase du faisceau d'électrons, limitant la diversité des formes du faisceau d'électrons et limitant les applications potentielles des vortex électroniques.
Les auteurs de l'étude ont créé des vortex électroniques structurés avec des distributions d'intensité non homogènes basées sur la relation entre l'angle de divergence local et le gradient de phase azimutale des faisceaux d'électrons. Cette avancée signifie que les modèles d'intensité des vortex électroniques peuvent être personnalisés en fonction de besoins spécifiques, ouvrant ainsi de nouvelles dimensions pour la manipulation et l'application des faisceaux d'électrons.
Les auteurs ont démontré comment ajuster les électrons libres incidents dans un microscope électronique à transmission à l'aide d'hologrammes générés par ordinateur et ont conçu des masques de phase pour produire des vortex électroniques structurés avec différents modèles d'intensité. Cette méthode permet aux chercheurs de créer des vortex électroniques avec différents modèles d'intensité, tels que des formes de feuilles de trèfle, de spirale et de flèches personnalisées, chacun portant le même moment cinétique orbital.
L'étude révèle que bien que ces vortex électroniques puissent être quantifiés macroscopiquement par un seul entier décrivant leur invariance topologique globale, au microscope, ils sont en réalité une superposition d'états propres différents résultant de structures géométriques variant localement. Cette découverte est importante pour comprendre et appliquer les vortex électroniques.
Une autre réalisation importante de cette recherche est l’exploration des états de superposition cohérents des vortex électroniques structurés. En concevant des masques de phase pour générer des vortex électroniques structurés avec différentes charges topologiques, l’expérience a réussi à produire des états de superposition avec différentes distributions d’intensité. Ces états présentaient des modèles d'interférence uniques en forme de pétale, confirmant que bien qu'ils soient composés d'une série de modes de moment cinétique orbitaux discrets au microscope, les états de superposition cohérents des vortex électroniques structurés dépendent toujours de leurs invariants topologiques globaux.
Cette étude élargit non seulement la compréhension théorique des vortex électroniques, mais démontre également expérimentalement la faisabilité du contrôle de leurs modes d'intensité en manipulant la structure locale du faisceau d'électrons. Grâce à leur degré de liberté supplémentaire contrôlable, les vortex électroniques structurés en tant que sonde électronique quantique recèlent un grand potentiel en microscopie électronique et peuvent promouvoir diverses applications in situ, telles que la manipulation électronique de nanoparticules le long de trajectoires conçues, l'interaction des électrons en fonction du motif. moment cinétique orbital avec la matière, et modes d'excitation et de sondage sélective des plasmons de surface.
Les vortex électroniques structurés peuvent également être directement utilisés en lithographie pour produire des nanostructures façonnées sans qu’il soit nécessaire de balayer le faisceau. De plus, ces concepts et cette approche de génération peuvent facilement être généralisés à d’autres systèmes de particules, tels que les neutrons, les protons, les atomes et les molécules. Cela offre de nouvelles perspectives et méthodes pour des recherches et des applications ultérieures sur les faisceaux de particules.
Plus d'informations : Pengcheng Huo et al, Adaptation de faisceaux de vortex d'électrons avec des modèles d'intensité personnalisables par holographie par diffraction électronique, Progrès opto-électroniques (2024). DOI :10.29026/oea.2024.230184
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