Adaptando feixes de vórtice de elétrons com padrões de intensidade personalizáveis por holografia de difração de elétrons

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Esquema de geração de EVBs estruturados. As máscaras de fase holográfica binária podem ser projetadas com a fase espiral generalizada para moldar os elétrons livres incidentes para gerar EVBs estruturados com padrões de intensidade personalizáveis. A máscara de fase é composta por grades bifurcadas em nanoescala fabricadas em membranas de nitreto de silício com 100 nm de espessura. Crédito:Avanços Opto-Eletrônicos (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230184

Um novo estudo de pesquisa da Opto-Electronic Advances discute a adaptação de feixes de vórtices de elétrons com padrões de intensidade personalizáveis por holografia de difração de elétrons.

Nos últimos anos, a comunidade científica testemunhou um avanço notável no estudo e desenvolvimento de vórtices de elétrons. Vórtices de elétrons são feixes de elétrons que carregam momento angular orbital, o que significa que os elétrons se movem não apenas em sua direção de propagação, mas também giram de maneira semelhante a um vórtice. Esta característica única oferece muitas novas propriedades físicas e aplicações potenciais, tornando-a uma ferramenta poderosa na exploração de estruturas microscópicas e propriedades físicas de materiais, especialmente em campos como espectroscopia de perda de energia quiral e espectroscopia de dicroísmo magnético.

O estudo dos vórtices de elétrons é impulsionado por uma compreensão mais profunda das partículas fundamentais, como fótons e elétrons. Em 1992, Allen e outros descobriram que os feixes de luz poderiam transportar momento angular orbital quantizado, estabelecendo as bases teóricas para a tecnologia de vórtice de elétrons. Os elétrons, como partículas carregadas, exibem comportamentos ondulatórios semelhantes aos fótons, permitindo que sejam manipulados e moldados como ondas de luz para gerar características de vórtice. O desenvolvimento da tecnologia de vórtice de elétrons decorre da exploração e utilização dessas propriedades ondulatórias das partículas.

Desde a primeira criação bem-sucedida de vórtices de elétrons em 2010, este campo passou por um desenvolvimento significativo. Inicialmente, vórtices de elétrons foram gerados usando placas de fase espiral compostas por filmes de grafite empilhados espontaneamente para transmitir momento angular orbital aos feixes de elétrons incidentes. Mais tarde, os cientistas exploraram vários métodos para gerar vórtices de elétrons, como máscaras holográficas, aberrações de lentes magnéticas e agulhas magnéticas. Essas técnicas não apenas produzem vigas de elétrons com momento angular orbital específico, mas também manipulam as interações dos vórtices de elétrons com matéria e campos elétricos e magnéticos externos.

Apesar do progresso significativo no conceito e aplicação de vórtices de elétrons, os vórtices tradicionais apresentam limitações em seus modos de intensidade, apresentando tipicamente padrões de anéis circulares isotrópicos. Esta limitação se deve à distribuição constante do gradiente de fase do feixe de elétrons, restringindo a diversidade das formas do feixe de elétrons e limitando as aplicações potenciais dos vórtices de elétrons.

Os autores do estudo criaram vórtices de elétrons estruturados com distribuições de intensidade não homogêneas com base na relação entre o ângulo de divergência local e o gradiente de fase azimutal dos feixes de elétrons. Este avanço significa que os padrões de intensidade dos vórtices de elétrons podem ser customizados de acordo com necessidades específicas, abrindo novas dimensões para a manipulação e aplicação de feixes de elétrons.

Os autores demonstraram como ajustar elétrons livres incidentes em um microscópio eletrônico de transmissão usando hologramas gerados por computador e projetaram máscaras de fase para produzir vórtices de elétrons estruturados com diferentes padrões de intensidade. Este método permite que os pesquisadores criem vórtices de elétrons com vários padrões de intensidade, como trevo, espiral e formatos de seta personalizados, cada um carregando o mesmo momento angular orbital.

O estudo revela que embora esses vórtices de elétrons possam ser quantificados macroscopicamente por um único número inteiro que descreve sua invariância topológica global, microscopicamente, eles são na verdade uma superposição de diferentes estados próprios resultantes de estruturas geométricas que variam localmente. Esta descoberta é significativa para a compreensão e aplicação de vórtices de elétrons.

Outra conquista importante desta pesquisa é a exploração dos estados de superposição coerente de vórtices de elétrons estruturados. Ao projetar máscaras de fase para gerar vórtices de elétrons estruturados com diferentes cargas topológicas, o experimento produziu com sucesso estados de superposição com diferentes distribuições de intensidade. Esses estados exibiram padrões de interferência únicos em forma de pétala, confirmando que, apesar de serem compostos microscopicamente por uma série de modos de momento angular orbitais discretos, os estados de superposição coerentes de vórtices de elétrons estruturados ainda dependem de seus invariantes topológicos globais.

Este estudo não apenas amplia a compreensão teórica dos vórtices de elétrons, mas também demonstra experimentalmente a viabilidade de controlar seus modos de intensidade através da manipulação da estrutura local do feixe de elétrons. Graças ao seu grau de liberdade controlável adicional, os vórtices de elétrons estruturados como uma sonda eletrônica quântica possuem grande potencial em microscopia eletrônica e podem promover ainda várias aplicações in-situ, como manipulação eletrônica de nanopartículas ao longo de trajetórias projetadas, interação dependente de padrão de elétrons momento angular orbital com matéria e modos plasmônicos de superfície seletivamente excitantes e de sondagem.

Os vórtices de elétrons estruturados também podem ser usados diretamente em litografia para produzir nanoestruturas moldadas sem a necessidade de escanear o feixe. Além disso, tais conceitos e abordagem de geração são convenientes para generalizar para outros sistemas de partículas, como nêutrons, prótons, átomos e moléculas. Isto fornece novas perspectivas e métodos para futuras pesquisas e aplicações de feixes de partículas.

Mais informações: Pengcheng Huo et al, Adaptando feixes de vórtice de elétrons com padrões de intensidade personalizáveis por holografia de difração de elétrons, Opto-Electronic Advances (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230184
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