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도전

박사. Thomas Juffmann은 비엔나 대학(오스트리아)의 부교수입니다. 그의 연구 그룹은 "검출된 각 탐침 입자에서 추출된 정보를 최대화"하는 광학 및 전자 현미경의 새로운 이미징 기술 개발에 중점을 두고 있습니다. 이 연구는 이론 연구, 다중통과 현미경, 적응광학, 광학 근접장 전자현미경을 포괄합니다. 

박사. Juffmann은 최근 몇 년간 현미경과 천문학의 광학 기술이 공간 광 변조기 및 적응 광학과 같은 능동 구성 요소를 사용하여 광자를 조작하는 능력으로부터 엄청난 이점을 얻었다고 설명합니다. 전자현미경은 다양한 샘플에 대해 고유한 고해상도 데이터를 제공할 수 있지만 전자에 대한 동일한 수준의 영리한 제어로부터 이점을 얻지는 못했습니다.… 그러나 Juffmann의 그룹과 Siegen 대학의 협력자들이 최근 발표한 연구 연구[1]에서는 이것이 어떻게 현재 가능한지 보여 주었으며, 이는 수많은 과학 분야 전반에 걸쳐 펄스 전자 현미경 및 계측학에 잠재적으로 큰 영향을 미칠 수 있습니다. Juffmann이 인용한 잠재적인 예로는 고체의 상 전이를 관찰하는 등의 응용 분야에서 위상 현미경 또는 ptychography의 대비 향상이 포함됩니다.

해결책

Juffmann과 동료들은 이 목적을 위해 폰더모티브 효과를 사용하는 데 초점을 맞추기로 결정했습니다. 약한 산란 효과는 1933년에 Kapitza와 Dirac [2]에 의해 처음 예측되었습니다. 그 효과는 Bucksbaum et al.에 의해 최종적으로 관찰되었습니다. 펄스 레이저를 사용하여 1988년에 처음으로 [3], 이후 Freimund et al. 정상파에서 전자 펄스의 회절을 보여주는 아름다운 실험에서 [4]. Juffmann의 팀은 이전과는 전혀 다른 방식으로 전자빔을 조작하기 위해 이 기본 메커니즘을 활용하기 시작했습니다.

어떻게 작동하나요? 생각하는 힘은 강도가 균일하지 않은 광선과 같이 진동하는 전자기장에서 전자의 이동을 의미합니다. 이 힘으로 인해 전자는 높은 강도 영역에서 낮은 강도 영역으로 이동하게 됩니다.  Juffmann은 이것이 빛으로 전자를 조작하는 방법을 제공할 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 그러나 이는 매우 높은 광도가 필요한 약한 효과이기도 합니다. 그래서 그의 그룹은 펨토초 레이저와 공간 광 변조기를 사용하여 필연적으로 강렬한 필드 패턴을 만들기 시작했습니다.

연구실에는 다음이 장착되어 있습니다.모나코 1035 초고속 레이저이 실험에 이상적인 광원임이 밝혀졌습니다. Juffmann은 "짧은(300fs 미만) 펄스 폭과 높은(40μJ) 펄스 에너지의 조합은 현재 실험뿐만 아니라 전자 패턴에서 더 많은 픽셀을 사용하는 향후 설정에 충분한 피크 전력을 제공합니다. 그리고 1MHz 펄스 반복 속도는 짧은 데이터 수집 시간으로 해석됩니다." 그는 또한 자신의 연구실에서 거의 4년 동안 작동하면서 가동 중단 시간이 없는 레이저의 신뢰성을 장점으로 꼽았습니다.

결과

Juffmann 설정에서 빔 스플리터는 레이저 강도의 몇 퍼센트를 선택합니다. 이것은 금속 팁에 집중되어 전자 버스트를 생성한 다음 시준된 빔으로 가속됩니다. 레이저 빔의 나머지 부분은 역전파 배열에서 전자 빔과 상호 작용하기 전에 공간 광 모듈러에 의해 패턴화됩니다. 그림은 사실상 모든 기하학과 세부 사항의 임의의 전자 빔 모양을 생성하는 이 접근 방식의 능력을 보여줍니다. 이는 "웃는 얼굴"을 포함하여 다양한 패턴을 생성하도록 조작된 전자 빔에 의해 조사된 형광체 스크린의 이미지를 보여줍니다. 

Juffmann은 다른 전자 조작 기술과 비교할 때 이 새로운 방법은 프로그래밍이 가능하며 재료 회절 요소의 저하로 인한 손실, 비탄성 산란 및 잠재적인 불안정성을 방지한다고 지적합니다. 결과적으로 향후 전자현미경의 일부에는 광학 조정이 포함될 수 있습니다. 마리우스 미하일라(Marius Mihaila) 박사 Juffmann 연구실의 학생은 "우리의 성형 기술은 펄스 전자 현미경에서 성공적인 수차 보정 및 적응형 이미징을 가능하게 합니다. 연구하는 표본에 맞게 현미경을 조정하여 감도를 최대화하는 데 사용할 수 있습니다."

참고자료

1. MCC Mihaila 외, 빛을 이용한 횡단 전자빔 성형, Phys Rev. X 12, 031043(2022).
2. P.L. Kapitza 및 P.A.M. Dirac, 정재광파에서 전자가 반사되는 현상. 진행 캠. 필. Soc. 29, 297–300(1933).
3. P.H. Bucksbaum et al., 고강도 Kapitza-Dirac 효과. 물리. Lett 목사. 61, 1182-1185(1988).
4. Freimund 외. al, Kapitza-Dirac 효과의 관찰, Nature, 413, 142-143 (2001). 

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