電子顯微鏡使研究人員能夠可視化微小的物體，例如病毒、半導(dǎo)體器件的精細(xì)結(jié)構(gòu)，甚至是排列在材料表面上的原子。將電子束聚焦到原子大小對(duì)于實(shí)現(xiàn)如此高的空間分辨率至關(guān)重要。然而，當(dāng)電子束通過靜電或磁透鏡時(shí)，電子射線會(huì)根據(jù)聚焦角度呈現(xiàn)不同的焦點(diǎn)位置，并且電子束會(huì)在焦點(diǎn)處擴(kuò)散開來。校正這種“球差”既昂貴又復(fù)雜，這意味著只有少數(shù)科學(xué)家和公司擁有具有原子分辨率的電子顯微鏡。
東北大學(xué)的研究人員提出了一種形成電子透鏡的新方法，該方法使用光場(chǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子透鏡中使用的靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)。有質(zhì)動(dòng)力使在光場(chǎng)中行進(jìn)的電子被高光強(qiáng)度區(qū)域排斥。利用這種現(xiàn)象，與電子束同軸放置的環(huán)形光束有望對(duì)電子束產(chǎn)生透鏡效應(yīng)。
這些研究從理論上評(píng)估了使用典型的環(huán)形光束(稱為貝塞爾或拉蓋爾-高斯光束)形成的光場(chǎng)電子透鏡的特性。從那里，他們獲得了焦距和球面像差系數(shù)的簡(jiǎn)單公式，使他們能夠快速確定實(shí)際電子透鏡設(shè)計(jì)所需的引導(dǎo)參數(shù)。
公式表明，光場(chǎng)電子透鏡產(chǎn)生與靜電和磁電子透鏡的像差相反的“負(fù)”球面像差。傳統(tǒng)電子透鏡與“正”球面像差和抵消像差的光場(chǎng)電子透鏡的組合將電子束尺寸減小到原子級(jí)。這意味著光場(chǎng)電子透鏡可以用作球面像差校正器。
“光場(chǎng)電子透鏡具有傳統(tǒng)靜電和磁性電子透鏡所沒有的獨(dú)特特性，”東北大學(xué)先進(jìn)材料多學(xué)科研究所助理教授、該研究的主要作者 Yuuki Uesugi 說。“基于光的像差校正器的實(shí)現(xiàn)將顯著降低原子分辨率電子顯微鏡的安裝成本，從而使其在各種科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，”Uesugi 補(bǔ)充道。
展望未來，Uesugi 及其同事正在探索使用光場(chǎng)電子透鏡實(shí)際應(yīng)用下一代電子顯微鏡的方法。
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