Вихревые электронные пучки расширяют возможности микроскопии

В американском Национальном институте стандартов и технологий получены электронные аналоги оптических вихревых пучков, предназначенные для использования в просвечивающей электронной микроскопии. Фотонные пучки такого типа были продемонстрированы довольно давно.   

Отличить их от привычного излучения легко:     если обычному лазерному пучку можно поставить в соответствие систему волновых фронтов (поверхностей, во всех точках которых световые колебания имеют одинаковую фазу), близких к плоскостям, то вихревой его разновидности соответствует единая поверхность волнового фронта винтовой структуры. Лазерные «вихри» часто используются в оптических пинцетах для перемещения микрометровых частиц.
Перейти к электронам оказалось непросто, поскольку длина соответствующей этим частицам волны крайне мала и измеряется не сотнями нанометров, а пикометрами. Однако в начале прошлого года японским исследователям удалось получить вихревой пучок с помощью спиральной фазовой пластинки, изготовленной из тонких графитовых плёнок, которые воспроизводили несколько «ступеней» винтовой лестницы.
Авторы работы действовали совершенно иначе: они взяли круговую мембрану размером в 5 мкм и толщиной 30 нм, выполненную из нитрида кремния, и, обработав заготовку ионным пучком, превратили её в дифракционную решётку с наноразмерными щелями. При попадании электронов на такую решётку на выходе физики получали «обычный» пучок и несколько расходящихся веером вихревых. Мембрана из нитрида, в отличие от графитовых пластинок, выдерживает довольно длительное облучение 300-килоэлектронвольтовым пучком в просвечивающем электронном микроскопе.

Пучки, которые получаются при падении электронов на решётку; вихревые имеют полую сердцевину. (Иллюстрация B. McMorran / NIST.)
Недавно аналогичную работу завершили учёные из Бельгии и Австрии, использовавшие «грубую» решётку с микрометровыми щелями. «Более сложная решётка дала нам возможность серьёзно увеличить угол, на который расходятся пучки, и орбитальный угловой момент электронов», — утверждает один из авторов нового исследования Бен Макморран (Ben McMorran).
Замечание г-на Макморрана чрезвычайно важно: ненулевой орбитальный угловой момент — главный козырь вихревых пучков. Именно это свойство, как надеются физики, даст стандартному просвечивающему микроскопу новые возможности исследования магнитных материалов и прозрачных биологических образцов.
 

Результат опыта, модель которого показана на рисунке выше (иллюстрация B. McMorran / A. Herzing / NIST).