お客様事例

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

トーマス・ユフマン博士はウィーン大学（オーストリア）の准教授です。彼の研究グループは、「検出されたプローブ粒子から得られた情報を最大化する」光学および電子顕微鏡の新しいイメージング技術の開発に取り組んでいます。この研究は、理論研究、マルチパス顕微鏡、適応光学、光学近接場電子顕微鏡を扱っています。

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。この力によって、電子は高強度領域から低強度領域へと移動します。ユフマン博士は、この力を利用すれば、光で電子を操作することができると考えました。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。ユフマン博士は、次のように説明しています。「短いパルス幅（300フェムト秒以下）と高いパルスエネルギー（40 μJ）の組み合わせにより、現在の実験に十分なピークパワーが発生します。また、将来的には、電子パターンのピクセル数を増やした構成も考えています。また、1 MHzのパルス繰り返し周波数により、データ収集時間が短くなります」。さらに、彼の研究室での4年近くの運用でダウンタイムがないなど、レーザの信頼性の高さも利点として挙げています。

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。図は、この手法により、ほぼあらゆる形状と細部を持つ任意の電子ビーム形状を作成することが可能であることを示しています。これは、「スマイリーフェイス」などのさまざまなパターンを作り出すために操作された電子ビームの照射を受けた蛍光体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 and P.A.M. Dirac, The reflection of electrons from standing light waves. Proc. Camb. Phil. Soc. 29, 297–300 (1933).
P.H. Bucksbaum et al, High intensity Kapitza–Dirac effect. 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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