[發明專利]一種產生可控渦旋電子束的裝置及方法

有效

• 申請號: 201710896503.5
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107919258B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 田鶴;陳鑫鎧;孫土來;杜凱;任天星;陳星;陳瓊陽
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01J37/141
• 分類號: H01J37/141;H01J37/26
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了一種基于TEM產生可控渦旋電子束的裝置，其特征在于，包括電子槍，產生平面電子束；磁場控制器；繞有導電線圈的磁針，通過有電學設備控制的芯片設置于平面電子束通道上，所述磁場控制器產生強度可控的磁場，所述磁場用于調制所述平面電子束的相位。本發明還公開了一種利用上述裝置產生可控渦旋電子束的方法。該裝置在電子顯微鏡中形成類磁單極的磁場分布，以獲得具有單一軌道角動量、量子數可控的渦旋電子束。

技術領域

本發明屬于渦旋電子束生成領域，具體涉及一種產生可控渦旋電子束的裝置及方法。

背景技術

近年來的預測和實驗證明：改變電子波陣面的基本結構可以使電子波具有許多特定的性質，該特定的性質能夠在常用透射電子顯微鏡中實現新的功能。如果重構的電子束具有連續的渦旋波陣面，則該電子束被稱為渦旋電子束。在渦旋電子束中，電子概率電流遵循渦旋路徑，在沿軸傳播方向上，具有方位角動量分量。

單一渦旋束可以由Ψ∝f(r)·exp(ilφ)·exp(ik_zz)描述，其中，(r,φ,z)是圓柱坐標；k_z是射束的前向動量；l為渦旋階數，也被稱為拓撲荷數，單一渦旋束在圍繞渦旋中心的回路中相位改變2πl。在單一渦旋束中，渦旋階數l與繞組數(描述渦旋的關鍵參數)成正比，此外，渦旋階數l也與波束的軌道角動量(OAM)有關，這是一個渦旋束非常有趣的特性。攜帶軌道角動量的渦旋電子束已經在納米顆粒操控(旋轉、移動、束縛等)以及磁性探測(有望達到原子級分辨)方面應用的巨大潛力。

為控制操縱電子波的相位以產生特定軌道角動量量子數，人們研究了各種各樣方法以產生渦旋電子束。到目前，人們能夠產生渦旋電子束的方法包括：相位片法、全息重構法、類磁單極場法。

相位片法是指利用渦旋相位片，將入射到該渦旋相位片的平面波變成渦旋波。研究者通過平面電子束干涉的方法驗證渦旋電子束的產生。一個2π的相位差，將產生拓撲荷數為1的渦旋電子束。該相位片法雖能產生渦旋電子束，但是存在以下缺點：(1)產生的拓撲荷數較低，很多時候不能滿足需求；(2)相位片的使用壽命有限，這主要是因為：相位片材料在高能量的電子束的作用下不穩定，容易被破壞、污染；(3)相位片的加工困難，無法做到理想的渦旋形結構，近似階梯結構的相位片不利用產生單一的渦旋電子束。

全息重構法是迄今為止用于產生電子渦流束的最常見的方法。研究者利用全息光闌觀察到了渦旋電子束，但是所產生的渦旋電子束是多束攜帶不同軌道角動量的電子束，而拓展其應用需要單一電子束，要從多束中選擇單束有很大的困難。此外，全息光闌會將大部分電子束擋住，強度損失較大，效率低，在電子顯微表征中表現為信號較弱。

類磁單極場法是指利用小磁針末端的類磁單極子特性作用于入射的電子束，根據Aharonov-Bohm效應而產生了渦旋電子束。雖然該方法解決了全息重構法遮住大部分電子束的缺點，但是小磁針產生的磁場不可控，無法產生不同軌道角動量的渦旋電子束。

發明內容

鑒于上述，本發明提供了一種產生渦旋電子束的裝置及方法。該裝置能夠產生可控軌道角動量的渦旋電子束。

本發明的第一實施方式提供了一種基于TEM(透射電子顯微鏡)產生可控渦旋電子束的裝置，包括：

電子槍，產生平面電子束；

磁場控制器；

繞有導電線圈的磁針，通過電學設備負載的芯片設置于平面電子束通道上，受所述磁場控制器作用產生強度可控的磁場，所述磁場用于調制所述平面電子束的相位。

納米級磁化鐵磁針的尖端處產生有效的單極場。Aharanov-Bohm效應可以用于理解這種單極場對電子束的影響。當平面電子波與假想的磁單極子相互作用時，將會產生渦旋電子束。一個包含磁通量的封閉電荷路徑可以獲得Aharonov-Bohm(A-B)相：