光电子透镜:实现原子分辨电子显微镜的新方法

       简介: 研究人员提出了一种制造电子透镜的新方法，这将有助于降低具有原子分辨率的电子显微镜的制造成本，从而扩大它们的应用领域。他们使用了光场电子透镜，而不是传统电子透镜中使用的静电和磁场。

       电子显微镜使研究人员可以看到微小的物体，如病毒，半导体器件的精细结构，甚至排列在材料表面的原子。将电子束聚焦到原子大小尺度对于实现如此高的空间分辨率至关重要。然而，当电子束通过静电透镜或磁透镜时，根据聚焦角度和光束发散的不同，电子射线具有位置不同的焦点。矫正这种“球差”既需要昂贵的成本又需要复杂的技术，这意味着只有少数科学家和公司才有能力拥有具有原子分辨率的电子显微镜。

       日本东北大学的研究人员提出了一种新的方法，利用光场来形成电子透镜，而不是传统电子透镜中使用的静电和磁场。有质动力使在光场中运动的电子被高光强区域排斥。利用这一现象，甜甜圈形光束与电子束同轴放置，可以对电子束产生透镜效应。

图1: 有质动力透镜（p-lens）的概念图。以一阶拉盖尔-高斯光束为例。

左图显示电子束和光束有共同的传播轴，绿色箭头是电子轨迹。右图描绘了光束束腰的横截面。

       已有研究从理论上评估了使用典型的甜甜圈形光束形成的光场电子透镜的特性——被称为贝塞尔或拉盖尔-高斯光束。从那里，他们得到了焦距和球差系数的相关公式，这使他们能够快速确定实际电子透镜设计所需的导向参数。

       该研究机构证明了光场电子透镜产生的“负”球差与静电电子透镜和磁性电子透镜产生的球差相反。将具有“正”球差的传统电子透镜和可以抵消球差的光场电子透镜结合起来，可以将电子束的大小减小到原子尺度。这意味着光场电子透镜可以用作球差校正器。

       “光场电子透镜具有传统静电和磁性电子透镜所没有的独特特性，”东北大学先进材料多学科研究所助理教授Yuuki Uesugi说，他是这项研究的第一作者。Uesugi补充说:“基于光的像差校正器的实现将大大降低原子分辨率电子显微镜的制造成本，从而使其在不同的科学和工业领域得到广泛的应用。”

       未来，Uesugi和同事们正在探索使用光场电子透镜的下一代电子显微镜的实际应用方法。

[1] Yuuki Uesugi, Yuichi Kozawa, Shunichi Sato. Properties of electron lenses produced by ponderomotive potential with Bessel and Laguerre–Gaussian beams. Journal of Optics, 2022; DOI: 10.1088/2040-8986/ac6524

文章来源：Materials provided by Tohoku University. Note: Content may be edited for style and length.