Физики заставили электронный луч улыбаться

Европейские физики модернизировали электронный микроскоп, добавив в него систему коррекции волнового фронта луча с помощью лазерного излучения. Они не только смогли реализовать таким образом собирающую и рассеивающую электронную линзу, но и наделили луч более сложными поперечными шаблонами, например, смайликом. Эта технология может быть полезна в качестве аддитивной электронной оптики для борьбы с аберрациями в электронных микроскопах. Исследование опубликовано в Physical Review X.

Изобретение электронного микроскопа совершило революцию во множестве отраслей науки и техники, чувствительных к знанию о микроскопическом устройстве объектов, начиная от материаловедения и заканчивая биологией. Принцип его работы напоминает таковой у оптического микроскопа с той лишь разницей, что вместо света на образцы падает электронный луч. Подробнее об электронных микроскопах можно почитать в цикле блогов «Лаборатория в гараже».

Как и луч света, электронный луч, проходящий через фокусирующую систему или иную среду, подвержен различным аберрациям и искажениям. Для борьбы с ними в обычной оптике используются адаптивные элементы, способные исправить волновой фронт через систему обратной связи, – ими активно снабжают микроскопы и телескопы.

В оптике электронных лучей аналогичные технологии стали появляться совсем недавно. Как правило, они основаны на коррекции волнового фронта с помощью соответствующим образом изготовленных твердотельных пленок. Развитие наноинженерии помогло добавить в эти устройства управление с помощью электрических или магнитных полей. Несмотря на все достижения, такая оптика приводит к ощутимому ослаблению луча, а сами элементы подвержены разрушению. Этих недостатков лишены методы управления формой электронного луча с помощью мощного лазерного излучения, однако из-за высоких требований к синхронизации электронной и оптической части установки в этом направлении сделано мало работ.

Преодолеть все технические сложности удалось Томасу Юффманну (Thomas Juffmann) из Венского университета с коллегами из Австрии и Германии. Ученые изготовили систему управления формой электронного луча с помощью интенсивного лазерного излучения за счет пондеромоторного эффекта. Меняя фазу поперечной волновой функции электронов, они не только смогли реализовать собирающую и рассеивающую линзы, но и наделить луч более сложными пространственными паттернами, включая изображение смайлика.

Теория эффекта основана на том, что электрон, распространяющийся в неоднородном и переменном электромагнитном поле, приобретает набег фазы, определяемый квадратом потенциала в точках его траектории. В случае, когда характерный размер поперечной части его волновой функции много больше, чем масштаб неоднородности поля (в случае оптического излучения речь идет о длине волны), набег фазы будет разным для разных точек электронного волнового фронта. Это можно использовать для формирования произвольных сечений электронного луча, поскольку физики хорошо умеют управлять распределением светового поля.

Для реализации этой идеи авторы модифицировали имеющийся у них сверхбыстрый сканирующий электронный микроскоп. Установка состояла из мощного (энергия импульса до 40 микроджоулей) фемтосекундного лазера с длиной волны 1035 нанометров, луч которого разделялся на светоделителе в соотношении 93 на 7. Его слабая часть испытывала двукратное удвоение частоты на двух кристаллах бета бората бария до ультрафиолетового диапазона, после чего фокусировалась в рабочую камеру электронной пушки, где происходила эмиссия электронов. Более интенсивная часть разделенного инфракрасного света проходила через систему задержки и через модулирующую систему, которая как раз таки и формировала заготовку для управления электронным пучком.

Наконец, модулированный инфракрасный луч через самодельное окно подавался в вакуумную часть микроскопа, где с помощью двух зеркал проходил некоторое расстояние совместно с потоком электронов. Для этого в зеркалах располагались отверстия диаметром 1,5 миллиметра. Через 550 миллиметров от дальнего зеркала располагался электронный детектор, изображения с которого позволяли оценить результат.

Для начала физики убедились в том, что даже не модулированный лазерный луч влияет на распространение электронов. Они рассчитали параметры установки таким образом, чтобы каждый электрон успел пролететь в световом поле. Меняя время задержки, они убедились, что это условие выполняется в пределах 666 фемтосекунд в обе стороны, что соответствует расстоянию между двумя импульсами, равному 51 микрометру.

На следующем этапе авторы попытались сфокусировать и, наоборот, расфокусировать электронный луч. Для этого набег фазы электронов должен был квадратично зависеть от расстояния от оси луча. Ученые добились этого, создавая в инфракрасном свете моды Гаусса – Лагерра. Физики увидели, что фокусное расстояние получающихся линз зависит от энергии ровно так, как того предписывают результаты моделирования, отклоняясь лишь в области низкой интенсивности.

Наконец, авторы смогли нанести на электронный луч более сложные паттерны: трилистник, кому, астигматизм и даже смайлик. Если в первых трех случаях они вычисляли шаблон модуляции лазерного излучения с помощью метода обратного распространения ошибки, то для смайлика им потребовалось реализовать более ресурсоемкий и сложный алгоритм Герцберга – Сакстона. По оценкам физиков, возможности их установки позволят записать до 1607 пикселей в форме электронного луча.

Ранее мы рассказывали, как физики впервые увидели отрицательное преломление электронов в графене. По мнению ученых, эта технология позволит создавать электронные линзы на чипе.