Недавние эксперименты в Венском университете показывают, что свет (красный) можно использовать для придания произвольной формы электронным пучкам (желтый), открывая новые возможности в электронной микроскопии и метрологии. Фото: stefaneder.at, Венский университет

Когда свет проходит через турбулентный или плотный материал, например, атмосферу Земли или ткань толщиной в миллиметр, стандартные технологии визуализации испытывают значительные ограничения в качестве изображения. Поэтому ученые размещают на оптическом пути телескопа или микроскопа деформируемые зеркала, которые компенсируют нежелательные эффекты. Эта так называемая адаптивная оптика привела ко многим прорывам в астрономии и визуализации глубоких тканей.

Однако такой уровень контроля еще не достигнут в электронной оптике, хотя многие приложения в материаловедении и структурной биологии требуют этого. В электронной оптике ученые используют пучки электронов вместо света для изображения структур с атомарным разрешением. Обычно статические электромагнитные поля используются для направления и фокусировки электронных лучей.

В новом исследовании исследователи из Венского университета (физический факультет и лаборатории Макса Перуца) и Зигенского университета показали, что можно почти произвольно отклонять электронные лучи, используя высокоинтенсивные световые поля определенной формы, которые отталкивают электроны. Капица и Дирак впервые предсказали этот эффект в 1933 г., а первые экспериментальные демонстрации (Bucksbaum et al., 1988; Freimund et al., 2001) стали возможны с появлением высокоинтенсивных импульсных лазеров.

Эксперимент в Вене теперь использует нашу способность формировать свет. Лазерный импульс формируется пространственным модулятором света и взаимодействует со встречным синхронизированным импульсным электронным пучком в модифицированном сканирующем электронном микроскопе. Это позволяет при необходимости впечатывать поперечные фазовые сдвиги в электронную волну, обеспечивая беспрецедентный контроль над электронными пучками.

Потенциал этой инновационной технологии демонстрируется созданием выпуклых и вогнутых электронных линз и созданием сложных распределений электронной интенсивности. Как отметил ведущий автор исследования Мариус Константин Кирита Михайла: «Мы пишем лазерным лучом в поперечной фазе электронной волны. Наши эксперименты прокладывают путь для формирования волнового фронта в импульсных электронных микроскопах с тысячами программируемых пикселей. В будущем части вашего электронного микроскопа могут быть сделаны из света».

В отличие от других конкурирующих технологий формирования электронов, эта схема является программируемой и позволяет избежать потерь, неупругого рассеяния и нестабильности из-за деградации дифракционных элементов материала. Томас Юффманн, руководитель группы в Венском университете, добавляет: «Наш метод формирования изображения позволяет корректировать аберрации и создавать адаптивные изображения в импульсных электронных микроскопах. Его можно использовать для настройки микроскопа на исследуемые образцы для достижения максимальной чувствительности».