Opto-Electronic Advances的一项新研究讨论了通过电子衍射全息术定制具有可定制强度图案的电子涡流束。

通过电子衍射全息术定制具有可定制强度图案的电子涡旋束

近年来，科学界在电子涡旋的研究和发展方面取得了显着的突破。电子涡旋是带有轨道角动量的电子束，这意味着电子不仅在其传播方向上移动，而且还以类似涡旋的方式旋转。这种独特的特性提供了许多新的物理性质和潜在的应用，使其成为探索材料微观结构和物理性质的有力工具，特别是在手性能量损失光谱和磁二色性光谱等领域。

对电子涡旋的研究是由对光子和电子等基本粒子的更深入了解推动的。 1992年，艾伦等人发现光束可以携带量子化轨道角动量，为电子涡旋技术奠定了理论基础。电子作为带电粒子，表现出类似于光子的波状行为，使它们能够像光波一样被操纵和成形，以产生涡旋特性。电子涡流技术的发展源于对粒子这些波状特性的探索和利用。

自 2010 年首次成功创建电子涡流以来，该领域已经取得了重大发展。最初，使用由自发堆叠的石墨膜组成的螺旋相位板产生电子涡流，以将轨道角动量传递给入射电子束。科学家后来探索了各种产生电子涡旋的方法，例如全息掩模、磁透镜像差和磁针。这些技术不仅产生具有特定轨道角动量的电子束，而且还操纵电子涡旋与物质以及外部电场和磁场的相互作用。

尽管电子涡旋的概念和应用取得了重大进展，但传统涡旋在强度模式方面存在局限性，通常呈现各向同性圆环图案。这种限制是由于电子束恒定的相位梯度分布，限制了电子束形状的多样性并限制了电子涡流的潜在应用。

该研究的作者根据电子束的局部发散角和方位角相位梯度之间的关系，创建了具有非均匀强度分布的结构化电子涡流。这一突破意味着电子涡旋的强度模式可以根据特定需求进行定制，为电子束的操纵和应用开辟了新的维度。

作者演示了如何使用计算机生成的全息图调整透射电子显微镜中的入射自由电子，并设计相位掩模以产生具有不同强度图案的结构化电子涡流。这种方法允许研究人员创建具有各种强度模式的电子涡旋，例如三叶草形、螺旋形和定制的箭头形状，每个电子涡旋都带有相同的轨道角动量。

研究表明，虽然这些电子涡旋可以通过描述其全局拓扑不变性的单个整数在宏观上进行量化，但在微观上，它们实际上是由局部变化的几何结构产生的不同本征态的叠加。这一发现对于理解和应用电子涡流具有重要意义。

这项研究的另一个重要成果是对结构电子涡旋相干叠加态的探索。通过设计相位掩模来产生具有不同拓扑电荷的结构化电子涡旋，实验成功地产生了具有不同强度分布的叠加态。这些态表现出独特的花瓣状干涉图案，证实尽管在微观上由一系列离散轨道角动量模式组成，但结构电子涡旋的相干叠加态仍然取决于其全局拓扑不变量。

这项研究不仅拓宽了对电子涡旋的理论理解，而且通过实验证明了通过操纵电子束的局部结构来控制其强度模式的可行性。由于其额外的可控自由度，结构化电子涡旋作为量子电子探针在电子显微镜中具有巨大的潜力，并且可以进一步促进各种原位应用，例如沿设计轨迹对纳米颗粒进行电子操纵、电子的模式依赖相互作用等。轨道角动量与物质，以及选择性激发和探测表面等离子体激元模式。

结构化电子涡流还可以直接用于光刻以产生成形纳米结构，而无需扫描电子束。此外，这样的概念和生成方法很容易推广到其他粒子系统，例如中子、质子、原子和分子。这为粒子束的进一步研究和应用提供了新的视角和方法。