電子顯微鏡使研究人員能夠可視化微小的物體，例如病毒、半導體器件的精細結構，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于實現(xiàn)如此高的空間分辨率至關重要。然而，當電子束通過靜電或磁透鏡時，電子射線會根據聚焦角度呈現(xiàn)不同的焦點位置，并且電子束會在焦點處擴散開來。校正這種“球差”既昂貴又復雜，這意味著只有少數科學家和公司擁有具有原子分辨率的電子顯微鏡。
東北大學的研究人員提出了一種形成電子透鏡的新方法，該方法使用光場代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子透鏡中使用的靜電場和磁場。有質動力使在光場中行進的電子被高光強度區(qū)域排斥。利用這種現(xiàn)象，與電子束同軸放置的環(huán)形光束有望對電子束產生透鏡效應。
這些研究從理論上評估了使用典型的環(huán)形光束(稱為貝塞爾或拉蓋爾-高斯光束)形成的光場電子透鏡的特性。從那里，他們獲得了焦距和球面像差系數的簡單公式，使他們能夠快速確定實際電子透鏡設計所需的引導參數。
公式表明，光場電子透鏡產生與靜電和磁電子透鏡的像差相反的“負”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電子透鏡的組合將電子束尺寸減小到原子級。這意味著光場電子透鏡可以用作球面像差校正器。
“光場電子透鏡具有傳統(tǒng)靜電和磁性電子透鏡所沒有的獨特特性，”東北大學先進材料多學科研究所助理教授、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和工業(yè)領域得到廣泛應用，”Uesugi 補充道。
展望未來，Uesugi 及其同事正在探索使用光場電子透鏡實際應用下一代電子顯微鏡的方法。
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