Такие спиралеподобные волны уже нашли у специалистов ряд применений, включая “оптический пинцет” – световой луч, который способен заманивать в ловушку и вращать частицы, и многомерное шифрование в квантовой оптике.
Рис. 1. К определению спирального волнового фронта
Плоские волны могут быть преобразованы в спиральные волны, если их пропускать через крошечную изогнутую поверхность-образец, известную как «пластина спиральной фазы», с высотой в любом точке на поверхности, пропорциональной углу в той же точке. Построение такой пластины для световых волн является сегодня решаемой задачей, так как она может быть изготовлена из кремния, с использованием литографских методов (последние активно используются в производстве полупроводников).
Но выполнение того же самого для электронных лучей − много более сложная задача. Согласно общим принципам вантовой механики, электрон, как и любую другую элементарную частицу, можно рассматривать как волну, но ее длина (при одной и той же энергии электрона и фотона) будет много меньше длины соответствующей световой волны. Это означает, что и пластина для электронных пучков также должна быть существенно меньше по размерам. Так, например, для электронов с энергией 300 кэВ требуется поверхность, сделанная из кремния, с характерным размером порядка 100 нм.
Мазая Учида и Акира Тономера (Masaya Uchida and Akira Tonomura) из института RIKEN (Уоко, Япония) использовали альтернативный подход. Вместо того, чтобы пытаться создать гладкую спираль, они построили ступенчатоподобную структуру − эквивалент миниатюрной спиральной лестницы.
Они использовали обычный карандашный графит, разместив последний тонким слоем на медной сетке, покрытой углеродной пленкой. При этом они разместили на пластинке графит в виде ступенек убывающей толщины, которые располагались на пластине в виде винтовой линии. Средняя разность толщины соседних ступенек составляла 10–100 нм.
Чтобы продемонстрировать свою «пластину спиральной фазы» в действии, они использовали пучок электронов с энергией 300 кэВ (соответствующий длине волны приблизительно 0.002 нм) и затем разделяли пучок в электронной бипризме. Одну половину пучка посылали через пластинуи, а другую половину оставляли в форме плоской электронной волны. Направляя два луча на экран и наблюдая интерференционную картину, исследователи отчетливо регистрировали доказательство наличия фазовой сингулярности винтового типа.
Майлс Падгетт (Miles Padgett) из университета Глазго охарактеризовал эксперименты как «очень интересное исследование» и сказал, что результаты исследований могут способствовать совершенствованию электронной микроскопии. Он отметил также, что низкий контраст отображаемый в оптической микроскопии, может быть частично преодолен, меняя фазу, а не интенсивность света, переданного объектом, и надеется, что новая работа могла бы «создать новые возможности для создания четких изображений в электронной микроскопии».
Учида признался, что не смотря на то, что их «техника спиральной лестницы» позволила им продемонстрировать существование искривленных электронных волн, и поэтому электронного орбитального углового момента, она пока не позволяет достаточно точно воспроизвести такие волны. Он также отметил, что сфокусированные пучки ионов могли бы быть способны к созданию спиральных волновых поверхностей высокой точности.
Результаты исследований представлены в журанле Nature: Masaya Uchida, Akira Tonomura Generation of electron beams carrying orbital angular momentum. – Nature. – 464. – P.737–739.
Статья переведена и отредактирована Филипповым Ю. П.
- Источник(и):
-
1.Nanotechweb.org: New twist to electron beams
