[发明专利]一种可控涡旋电子束生成方法、装置

说明书

本发明公开了一种可控涡旋电子束生成装置，包括含有加热样品杆、光阑的控温装置，所述电子枪发射平面电子束，其特征在于，所述装置还包括磁针，所述磁针通过加热样品杆的加热芯片置于所述平面电子束通道上，受所述加热芯片控制地产生强度可控的磁场，所述磁场用于调制所述平面电子束的相位，进而获得可控涡旋电子束。本发明还提供了一种利用上述装置产生涡旋电子束的方法，该装置结构简单，成本低，操作方法简单，且获得的涡旋电子束用于材料的表征。

技术领域

本领域属于光电子领域，技术涉及一种可控涡旋电子束生成方法、装置。

背景技术

涡旋电子束能够实现对原子尺度材料磁性的表征，轨道角动量可控的涡旋电子束能够应用到：(1)在原子尺度对材料磁性及自旋极化相关的探测，通过调控微尺度的涡旋电子束的相位及轨道角动量，使其与待测物质的相互作用，分析作用后的电子束相位及轨道角动量变化，即可得知构成材料的原子的磁性及自旋极化的相关信息；(2)纳米尺度原位操控，通过可控的涡旋电子束，实现纳米尺度材料的束缚、移动、旋转等原位操控；(3)实现手性材料及单一手性大分子的探测。

到目前，能够产生涡旋电子束的方法包括：相位片法、全息光阑法、类磁单极场法。

相位片法是指利用螺旋相位片将入射到该螺旋相位片的平面波变成涡旋波。研究者通过平面电子束干涉的方法验证涡旋电子束的产生。一个2π的相位差，将产生拓扑荷数为1的涡旋电子束。该相位片法虽能产生螺旋电子束，但是存在以下缺点：(1)产生的拓扑荷数较低，很多时候不能满足需求；(2)相位片的使用寿命有限，这主要是因为：相位片材料在高能量的电子束的作用下不稳定，容易被破坏、污染；(3)相位片的加工困难，无法做到理想的螺旋形结构，近似阶梯结构的相位片不利用产生单一的涡旋电子束。

全息光阑法是迄今为止用于产生电子涡流束的最常见的方法。研究者利用全息光阑观察到了涡旋电子束，但是所产生的涡旋电子束是多束携带不同轨道角动量的电子束，而电子显微表征需要单电子束，要从多束中选择单束有很大的困难。此外，全息光阑会将大部分电子束挡住，强度损失较大，效率低，在电子显微表征中表现为信号较弱。

类磁单极场法是指利用小磁针末端的类磁单极子特性作用于入射的电子束，根据Aharonov-Bohm效应而产生了涡旋电子束。虽然该方法解决了全息重构法遮住大部分电子束的缺点，但是磁针产生的磁场不可控，无法产生不同轨道角动量的涡旋电子束。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种可控涡旋电子束生成方法、装置，该装置能够产生可控轨道角动量的涡旋电子束。

本发明的第一方面提供了一种可控涡旋电子束生成装置，

包括含有磁针控温器、电子枪的透射电子显微镜，所述电子枪产生平面电子束，其特征在于，所述装置还包括磁针，所述磁针通过磁针控温器置于所述平面电子束通道上，受所述磁针控温器控制产生强度可控的磁场，所述磁场用于调制所述平面电子束的相位，进而获得可控涡旋电子束。

一般来说，磁性材料具有一个临界温度，这个临界温度为居里温度。在居里温度以下，磁性材料的原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的；在居里温度以上，磁性材料中的原子在高温作用下剧烈运动，原子磁矩的排列混乱无序，因而磁性材料失去磁性。因此可通过控温获得不同磁性强度的磁针。