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ウィーン大学：レーザ光による電子ビームの整形とパターン化

課題

Thomas Juffmann博士は、ウィーン大学（オーストリア）の准教授で、研究グループは、検出された各プローブ粒子から抽出された情報を最大化する光および電子顕微鏡の新しいイメージング技術の開発に焦点を当てています。この研究には、理論研究、マルチパス顕微鏡、適応光学系、光学近接場電子顕微鏡が含まれます。

ユフマン博士は、近年、顕微鏡や天文学の光学技術は、空間光変調器や適応光学などの能動素子を使って光子を操作する能力から多大な恩恵を受けてきたと説明しています。電子顕微鏡は、多様な試料に関して他では不可能な高解像度のデータを提供することができますが、電子の巧みな制御という点では、まだ同じレベルに達していません。しかし、ユフマン博士のグループとシーゲン大学の共同研究者が発表したばかりの研究成果[1]では、それがどのように可能になったかが示され、多くの理科学分野にわたるパルス発振電子顕微鏡と計測に大きな影響を与える可能性があることが示されました。ユフマン博士はその例として、固体の相転移の観察などに応用できる、位相顕微鏡やプチコグラフィにおけるコントラスト増強を挙げています。

ソリューション

ユフマン博士と共同研究者は、この目的のために、1933年にカピッツァとディラック[2]によって初めて予言された弱い散乱効果であるポンデロモーティブ効果を利用することにしました。この効果は1988年にようやく、バックスボームらがパルスレーザを用いて初めて観測し[3]、その後フレイムンドらが光定在波からの電子パルスの回析を示した見事な実験で[4]観測しました。ユフマン博士のチームは、この基本的なメカニズムを用いて、これまでにないほど電子ビームを操作することに着手しました。

仕組みポンデロモーティブ力とは、強度が均一ではない光のビームなど、振動する電磁場の中での電子の動きをいいます。この力により、電子は高強度領域から離れ、低強度領域に移動します。ヤフマンは、電子を光で操作する方法を提供できることを知っていました。ただし、これは非常に高い光強度が必要な弱い効果でもあります。そこで彼のグループは、フェムト秒レーザと空間光変調器を用いて、必要な強度のフィールドパターンを作り出すことに着手しました。

研究室にはMonaco 1035ウルトラファーストレーザが設置されており、これらの実験に最適な光源であることが分かりました。Juffmann氏は次のように説明しています。「短いパルス幅（<300 fs）と高いパルスエネルギー（40 μJ）の組み合わせは、現在の実験だけでなく、将来のセットアップにも十分なピークパワーを提供し、電子パターンのピクセル数を増やします。また、1 MHzのパルス繰返し速度は、短いデータ取得時間に変換されます。また、研究室での4年近くの運用でダウンタイムのない利点として、レーザの信頼性を挙げています。

成果

ユフマン博士の構成では、ビームスプリッターは、レーザ強度の数パーセントをピックアップします。これを金属製のチップに集束させ、電子のバーストを発生させてから平行ビームとして加速させます。残りのレーザビームは空間光変調器でパターン化された後、対向するように配置された電子ビームと相互作用します。この図は、ほぼすべての形状と詳細の任意の電子ビーム形状を作成するこのアプローチの能力を示しています。これは、「笑顔」を含むさまざまなパターンを作成するために操作された電子ビームによって照射されたフォスファースクリーンの画像を示しています。

ユフマン博士は、他の電子操作技術と比較して、この新しい方法はプログラム可能であり、損失、非弾性散乱、材料回折素子の劣化による潜在的不安定性を回避できると述べています。結果として、今後の電子顕微鏡の部品に光学的な調整が含まれる可能性があります。ユフマン研究室の博士課程学生であるマリウス・ミハイラ氏は、「私たちの整形技術により、パルス発振電子顕微鏡における収差補正と適応イメージングが成功します」と要約しています。これは、研究する標本に合わせて顕微鏡を調整し、感度を最大にするために使うことができます」。

参考資料

MCC Mihaila et al, Transverse Electron-Beam Shaping with Light, Phys Rev. X 12, 031043 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.031043
P.L. KapitzaとP.A.M. Dirac、立位光波からの電子の反射。Proc. Camb. Phil. Soc. 29, 297–300 (1933)。
P.H. Bucksbaum et al, High intensity Kapitza–Dirac effect. P.H. Bucksbaum et al. 高強度カピッツァ・ディラック効果。Phys. Rev. Lett. 61, 1182–1185 (1988)。
Freimund et. al., Observation of the Kapitza-Dirac effect, Nature, 413, 142-143 (2001).

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