OEA | 自定义电子涡旋光束的创新研究【南京大学徐挺、陆延青教授团队】
Opto-Electronic Advances
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南京大学徐挺教授和陆延青教授团队基于电子束局部发散角与方位角相位梯度之间的关系，创造出具有非同质强度分布的结构化电子涡旋。这一突破意味着电子涡旋的强度模式可以根据特定的需求进行定制，为电子束的操控和应用开辟了新的维度。
第一作者：霍鹏程，于睿譞
通信作者：陆延青，徐挺
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研究背景
科技界近年来见证了一项引人注目的突破：电子涡旋的研究和发展。电子涡旋是一种携带轨道角动量的电子束，这意味着电子不仅沿其传播方向移动，还以一种类似涡旋的方式旋转，其本质可以比拟于一个带有“旋转”的电子，这种特性带来了许多新的物理属性和应用潜力，使其成为探索物质微观结构和物理性质的有力工具，特别是在手性能量损失光谱学和磁性二向色光谱学等领域。
电子涡旋的研究是由对基本粒子（如光子和电子）的深入理解所推动的。早在1992年，Allen等人发现光束可以携带量子化的轨道角动量，这一发现为后来的电子涡旋技术奠定了理论基础。电子，作为带电粒子，与光子（中性粒子）在行为上存在差异，但同样可以表现出波动的形式，这种波动性使得电子可以像光波一样被操控和塑形，从而可以产生出类似的涡旋特性。电子涡旋技术的发展源于对这种粒子波动特性的探索和利用。
自2010年首次成功生成电子涡旋以来，这一领域经历了显著的发展。最初，电子涡旋是通过使用螺旋相位板产生的，这种相位板由自发堆叠的石墨薄膜组成，用于给入射电子束施加轨道角动量。随后，科学家们开始探索更多的方法来生成电子涡旋，例如利用全息掩膜、磁透镜像差和微磁针等技术。这些方法不仅能产生具有特定轨道角动量的电子束，还能操纵电子涡旋与物质以及外部电场和磁场的相互作用。然而，尽管电子涡旋的概念和应用已经取得了显著进展，但传统的电子涡旋在强度模式方面存在一定的局限性，即它们通常只能呈现出各向同性的圆环形强度模式。这种模式的形成与电子束的恒定相位梯度分布有关，它无法提供更多样化的电子束形状，从而限制了电子涡旋在更广泛应用中的潜力。
本文亮点
在最新的科学突破中，来自南京大学徐挺教授和陆延青教授团队基于电子束局部发散角与方位角相位梯度之间的关系，创造出具有非同质强度分布的结构化电子涡旋。这一突破意味着电子涡旋的强度模式可以根据特定的需求进行定制，为电子束的操控和应用开辟了新的维度。
图1 结构化电子涡旋的生成示意
研究团队展示了如何通过计算机生成的全息图和设计相位掩模在透射电子显微镜中调节入射的自由电子，以产生具有不同强度模式的结构化电子涡旋。这种方法允许研究人员制造出具有三叶草形、螺旋形和定制箭头形等多种强度模式的电子涡旋，每种模式都携带相同的轨道角动量。研究发现，尽管这些电子涡旋在宏观上可以用一个描述其全局拓扑不变性的单一整数来量化，但在微观上，它们实际上是由于局部变化的几何结构而产生的不同本征态的叠加。这一发现对于理解和应用电子涡旋具有重要的意义。
图2 结构化电子涡旋的实验产生
该研究的另一个重要成果是对结构化电子涡旋的相干叠加态的探索。通过设计用于生成具有不同拓扑荷数的结构化电子涡旋的相位掩模，实验上成功地制造出了具有不同强度分布的叠加态。这些叠加态展示出独特的花瓣状干涉图样。尽管从微观角度看，结构化电子涡旋由一系列离散的轨道角动量模式构成，但它们的相干叠加状态仍然取决于它们的全局拓扑不变量。
图3 结构化电子涡旋的相干叠加
本研究不仅在理论上拓宽了对电子涡旋的理解，而且在实验上展示了通过操纵电子束的局部结构来控制其强度模式的可行性。这种新型的结构化电子涡旋作为量子电子探针，对电子显微学和纳米技术等领域的未来应用具有重大潜力。例如，它们可以用于按照预设轨迹操纵纳米粒子、研究电子与物质相互作用，以及选择性激发和探测表面等离子体模式。此外，本文提出的概念和生成方法不仅限于电子，还可以推广到其他粒子系统，如中子、质子、原子和分子。这为粒子束的进一步研究和应用提供了新的视角和方法。
该研究得到了国家自然科学基金(12274217，62105142)、江苏省自然科学基金(BK20220068，BK20212004)等项目资助。该成果以“Tailoring electron vortex beams with customizable intensity patterns by electron diffraction holography”为题发表在Opto-Electronic Advances (OEA，光电进展)2024年第2期。
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