利用光可以控制电子束形状

图：Vienna大学最近的实验表明，光（红色）可以用于实现任意形状的电子束（黄色），为电子显微镜和计量学开辟了新的可能性。来源：stefaneder.at, University of Vienna

       结合电子显微镜和激光技术的新技术使电子束的可编程成任意形状成为可能。未来，它可以用于优化电子光学和自适应电子显微镜，最大限度地提高灵敏度，同时最小化光束引起的损伤。Vienna大学和Siegen大学的研究人员已经证明了这项基础性和颠覆性技术。结果发表在Physical Review X上。

       当光线通过湍流或致密物质时，例如地球大气层或毫米厚的组织，标准成像技术在成像质量上会受到很大的限制。因此，科学家将变形镜放置在望远镜或显微镜的光路中，从而抵消了不希望出现的影响。这种所谓的自适应光学在天文学和深组织成像方面取得了许多突破。

       然而，尽管在材料科学和结构生物学的许多应用中都需要电子光学，但电子光学还没有达到一种可以控制水平。在电子光学中，科学家使用电子束而不是光来成像具有原子分辨率的结构。通常，用静态电磁场控制和聚焦电子束。

       在这项新的研究中，Vienna大学和Siegen大学的研究人员已经表明，使用排斥电子的高强度形状光场，可以几乎任意地偏转电子束。1933年，Kapitza和Dirac首次预测了这种效应，随着高强度脉冲激光器的出现，首次实验证明（Bucksbaum等人，1988年，Freimund等人，2001年）这种效应。

       Vienna的实验现在利用了我们塑造光线的能力。在改进的扫描电子显微镜中，激光脉冲由空间光调制器整形，并与反向传播的同步脉冲电子束相互作用。这使得可以按照需求改变电子波的横向相移，从而实现对电子束的前所未有的控制。

       通过创建凸面和凹面电子透镜以及生成复杂的电子强度分布，展示了这种创新技术的潜力。正如这项研究的主要作者Marius Constantin Chirita Mihaila所指出的那样：“我们用激光束在电子波的横向相位上扫描。我们的实验为具有数千个可编程像素的脉冲电子显微镜的波前整形铺平了道路。未来，电子显微镜的部分部件可能由光制成。”

       与其他竞争性电子成形技术相比，该方案是可编程的，并避免了损耗、非弹性散射和材料衍射元件退化引起的不稳定性。Vienna研究小组负责人Thomas Juffmann补充道：“我们的整形技术可以在脉冲电子显微镜中进行像差校正和自适应成像。它可以用来调整显微镜，使其适应所研究的标本，从而最大限度地提高灵敏度。”

[1]  Marius Constantin Chirita Mihaila et al, Transverse Electron-Beam Shaping with Light, Physical Review X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031043