비엔나 대학교: 레이저 광으로 전자빔 형성 및 패터닝

과제

Thomas Juffmann 박사는 비엔나 대학(오스트리아)의 부교수로, 이 연구 그룹은 “검출된 각 프로브 입자에서 추출된 정보를 최대화”하는 빛과 전자 현미경에서 새로운 이미징 기술을 개발하는 데 중점을 두고 있습니다. 이 연구는 이론적 연구, 다중 통과 현미경, 적응 광학 및 광학 근거리 전자 현미경을 포함합니다. 

Juffmann 박사는 최근 몇 년 동안 현미경 및 천문학에서의 광학 기술이 공간 광 변조기 및 적응 광학과 같은 능동 구성 요소를 사용하여 광자를 조작하는 능력에서 큰 이점을 얻었다고 설명합니다. 전자 현미경은 다양한 샘플에 대해 고유한 고해상도 데이터를 제공할 수 있지만, 전자에 대한 스마트 제어 수준은 아직 동일하지 않습니다. 하지만 Juffmann 연구팀과 지겐 대학의 공동 연구자들이 최근에 발표한 연구 결과[1]에 따르면 이는 이미 가능하며, 수많은 과학 분야의 펄스 전자 현미경과 계측학에 잠재적으로 큰 영향을 미치고 있습니다. Juffmann이 인용한 잠재적 예로는, 위상 현미경 또는 응용 분야에서의 타이코그래피 기술의 대비 향상이 포함됩니다(예: 고체 물질의 상전이 관찰).

솔루션

Juffmann과 연구원들은 1933년 Kapitza와 Dirac[2]에 의해 처음 예측된 약한 산란 효과인 판드로모티브 효과를 이 목적에 활용하는 데 집중하기로 결정했습니다. 이 효과는 펄스 레이저[3]를 사용한 덕분에 1988년 Bucksbaum 등에 의해 처음으로 관측되었으며, 이후 Freimund 등에 의해 정상 광파[4]에서 전자 펄스의 회절을 보여주는 정밀한 실험에서 관측되었습니다. Juffmann의 팀은 이 기본적인 메커니즘을 활용하여 전례 없는 방식으로 전자빔을 조작하기 시작했습니다.

어떻게 작동할까요? 판드로모티브 힘은 강도가 균일하지 않은 광선과 같이 진동하는 전자기장에서의 전자의 움직임을 의미합니다. 이 힘으로 인해 전자는 고강도 영역에서 저강도 영역으로 이동합니다.  Juffmann은 전자를 빛으로 조작하는 방법을 제공할 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 그러나 이는 매우 높은 광도를 필요로 하는 약한 효과이기도 합니다. 그래서 Juffmann 연구팀은 펨토초 레이저와 공간 광 변조기를 사용하여 강렬한 필드 패턴을 만들기 시작했습니다.

연구실에는 이러한 실험에 이상적인 광원으로 판명된 Monaco 1035 Ultrafast 레이저가 장착되어 있습니다. Juffmann은 다음과 같이 설명합니다. “짧은(<300fs) 펄스 폭과 높은(40μJ) 펄스 에너지의 조합은 현재 실험을 위한 충분한 피크 출력과 전자 패턴의 픽셀이 더 많은 향후 설정을 제공합니다. 그리고 1MHz 펄스 반복률은 짧은 데이터 획득 시간으로 이어집니다.” 또한 레이저의 신뢰성은 실험실에서 거의 4년 동안 작동 중단 시간이 없는 장점이라고 언급합니다.

결과

Juffmann의 설정에서 빔 스플리터는 레이저 강도의 몇 퍼센트만을 차지합니다. 이는 금속 팁에 초점을 맞춰 전자 버스트를 생성한 다음 조준된 빔으로 가속됩니다. 나머지 레이저 빔은 역 전파 배열에서 전자빔과 상호 작용하기 전에 공간 광 모듈에 의해 패턴화됩니다. 이 그림은 거의 모든 형상과 디테일의 임의의 전자 빔 모양을 생성하는 이 접근 방식의 능력을 보여줍니다. 이 그림은 전자 빔에 의해 조사된 형광체 스크린의 이미지를 보여 주며, 이는 “미소 짓는 얼굴”을 포함한 다양한 패턴을 생성하도록 조작되었습니다. 

Juffmann은 다른 전자 조작 기술과 비교하여 이 새로운 방법은 프로그래밍이 가능하며 재료의 회절 요소의 저하로 인한 손실, 비탄성 산란 및 잠재적 불안정성을 방지한다는 점에 주목합니다. 결과적으로 미래의 전자 현미경에는 광학 조정이 포함될 수 있습니다. Juffmann 연구실의 박사과정 학생인 Marius Mihaila는 다음과 같이 말합니다. “우리의 성형 기술은 펄스 전자 현미경에서의 성공적인 수차 보정과 적응형 이미징을 가능하게 합니다. 연구 중인 표본에 현미경을 조정하여 감도를 극대화하는 데 사용할 수 있습니다.”

참고 문헌

1. MCC Mihaila et al, Transverse Electron-Beam Shaping with Light, Phys Rev. X 12, 031043 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.031043
2. P.L. Kapitza 및 P.A.M. Dirac, 서 있는 광파에서 전자 반사. Proc. Camb. Phil. Soc. 29, 297–300(1933).
3. P.H. Bucksbaum 외, 고강도 Kapitza–Dirac 효과. Phys. Rev. Lett. 61, 1182–1185(1988).
4. Freimund et. al, 카핏자-디라크 효과 관찰, Nature, 413, 142-143(2001). 

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