帶電粒子渦旋波生成的制作方法
【專利摘要】描述了用于將軌道角動量施加到沿著帶電粒子束發(fā)生裝置中的波束軸(104)傳播的帶電粒子波的設備(100)。該設備包括：支撐元件(106)，該支撐元件具有適配于透射沿著波束軸(104)傳播的帶電離子波的目標區(qū)域(108)；以及，感應裝置(112)，該感應裝置用于沿著具有位于所述目標區(qū)域(108)的自由端部分的細長輪廓感應磁通，并且該感應裝置(112)適配于在所述細長輪廓中提供磁通，以便感應帶電離子波在透射經(jīng)過所述目標區(qū)域(108)時的相位相對于波束軸的角梯度。還公開了相應的方法以及其在電子顯微術中的使用。
【專利說明】帶電粒子渦旋波生成 發(fā)明領域
[0001] 本發(fā)明涉及帶電粒子束操縱領域。更具體地，它涉及用于向帶電粒子束（例如，電 子束或尚子束）施加軌道角動量的方法和系統(tǒng)。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 物理教科書中遇到的大多數(shù)波現(xiàn)象考慮平面波或球面波，這兩者的共同點是它們 的波前都形成空間中的分開的位面。然而，在理論上可存在不同拓撲的波。一種有趣類型 的這種波是所謂的渦旋波，它們也被稱為具有拓撲電荷的波或具有相位奇點的波。
[0004] 渦旋波首先是在無線電波中發(fā)現(xiàn)的，并隨后在光學器件中得到許多應用。這樣的 波攜帶每初級粒子W方的軌道角動量（0ΑΜ)，其中拓撲電荷m為非零整數(shù)，例如+1或一 1。 軌道角動量取決于電磁場的空間分布，即是由該波的渦旋度來攜帶的，并且不同于可歸因 于極化的角動量。
[0005] 渦旋波在諸如量子信息、納米操縱和天體物理學等應用中使用。渦旋波已從不同 類型的波（諸如無線電波、聲波和X射線波）中獲得。最近，電子渦旋束也已被產(chǎn)生。電子波 通常在透射電子顯微鏡中使用，因為它們的短波長（例如具有皮米量級）對于幾百keV(千 電子伏）的動能而言是有利的。加速電子的這一較小波長使得它們成為創(chuàng)建原子大小的渦 旋波的理想候選。此外，電子是帶電粒子，因此除了每電子 1 的軌道角動量外，還攜帶每 電子m μ B的磁矩。0ΑΜ與磁這種聯(lián)系使得它們成為探查與它們相互作用的材料的磁狀態(tài)的 理想候選。結合可獲得的小波長，這可造成對材料的原子分辨率磁映射。
[0006] 電子渦旋束的一個應用可在電子能量損失能譜學（EELS)的領域中找到。EELS是 透射電子顯微鏡中用來測量快速電子在材料中非彈性地散射時的能量損失的光譜技術。能 量損失光譜包含與材料中的原子類型、其化學鍵合、電子狀態(tài)及其化合價有關的信息。EELS 的一個引人注目的特征是它可用低于1 J的空間分辨率來獲得。已進行了原子分辨率EELS 實驗，這些實驗逐原子地示出給定材料的構成。這接近材料中的相互作用和缺陷而言尤其 有利。
[0007] 通過使用渦旋束，EELS中的可用信息可被擴展為包括磁信息，因為總角動量的守 恒可影響管控EELS中的可能激勵的偶極選擇規(guī)則。例如，對于鐵磁Fe和Co,可獲得與通常 從X射線磁手性二向色性（XCMD)中獲得的光譜類似的光譜。XMCD利用各圓極化X射線中 的吸收差異，而具有渦旋電子束的EELS可以用電子束（攜帶m= 1的電子波）來創(chuàng)建相同 的傳入角動量。然而，電子束具有優(yōu)于X射線的可達成原子分辨率的優(yōu)點，如通常在透射電 子顯微鏡中證明的。
[0008] 應注意，提供磁信息的技術在EELS中已經(jīng)可用，其名稱為能量損失磁手性二向色 性（EMCD)。EMCD基于帶有非彈性散射的晶體對Bragg散射電子束的干擾。在具有良好定 義的晶體取向和厚度的情況下，也可獲得非常接近于XMCD的光譜。然而，對厚度和取向的 精確控制會限制其中可使用EMCD的應用的范圍。此外，EMCD基本上被限于大于幾個晶胞的 空間分辨率（例如，2納米），因為在創(chuàng)建該信號時彈性衍射是必要的。此外，該技術的信噪 比相對較小。另一方面，除了波長以外，渦旋電子束可能對最大空間分辨率沒有基本限制， 晶體的取向并不扮演重要的角色，因為干擾是由該電子束的渦旋度而非由Bragg散射引起 的，并且實質上更大的信噪比可以是可實現(xiàn)的。使用全息重構技術來產(chǎn)生電子渦旋波的方 法是本領域公知的。這樣的方法通過用平面電子參考波束來照明計算機計算的光柵結構 以獲得具有預定相位的波來起作用。光柵通常通過使用聚焦離子束儀器（FI)從薄金屬片 (例如，幾百納米厚的Pt)中切割出。這樣的光柵的示例在圖1中示出，其中可看見叉形間 斷，叉形間斷對這樣的光柵而言是典型的。這是容易的重現(xiàn)方法，并且原則上，用于任何m 值的光柵都可以用該方法來產(chǎn)生。然而，該方法具有該光柵同時產(chǎn)生以下三個輸出波束的 缺點，如由通過這樣的光柵在圖2中描繪的遠場中獲得的電子強度所示：感興趣的渦旋波、 參考波束以及感興趣的渦旋波的復共軛，即相反旋向性的渦旋波。這意味著可用的總電子 電流分布在這三個波束上。此外，光柵通常僅透射這些電子中的約50 %，這進一步將感興趣 的渦旋束中的可用電流減少到最大為例如總電流的1/8。充足的電流例如對獲得高信噪比 而言可能是重要的。由于這三個波束分量同時存在，因此可能難以隔離來自感興趣的渦旋 束的信號。用僅選擇感興趣的波束的其他孔徑（例如，可使用螺旋孔徑）來克服該缺點可 以是可能的。
[0009] 本領域已知的產(chǎn)生渦旋電子束的替換方法是通過利用相位光柵，其類似于用于光 子的相位光柵，但是對于電子而言，光柵基板必須極其薄，以產(chǎn)生2π的相移（例如，小于 100納米）。這意味著這樣的光柵上的沾污可使其功能隨時間惡化，因為在沒有采取進一步 的動作的情況下該相位將改變。
[0010] 發(fā)明概述
[0011] 本發(fā)明的目的在于，提供良好且高效的用于提供電子渦旋束的裝置和方法。
[0012] 本發(fā)明的各實施例的優(yōu)點在于，可獲得具有高粒子電流的渦旋波。
[0013] 本發(fā)明的各實施例的優(yōu)點在于，可提供隔離的帶電粒子渦旋波，例如可將參考波 變換成渦旋波，而不生成次級波。
[0014] 本發(fā)明的各實施例的優(yōu)點在于，可提供用于產(chǎn)生帶電粒子渦旋波的設備，該設備 可容易地安裝在預先存在的裝備（例如，電子顯微鏡）中。本發(fā)明的各實施例的進一步優(yōu)點 在于，可以按成本有效的方式產(chǎn)生現(xiàn)有系統(tǒng)的此類附件，同時大幅度地改善該系統(tǒng)的能力。
[0015] 本發(fā)明的各實施例的優(yōu)點在于，可提供具有可調諧的軌道角動量（例如，該軌道 角動量可由可控的外部信號來控制）的渦旋波。本發(fā)明的各實施例的進一步優(yōu)點在于， 可提供具有可被快速更改的軌道角動量（例如，該軌道角動量允許快速的計算機控制的切 換）的渦旋波。
[0016] 上述目標通過根據(jù)本發(fā)明的方法和設備來實現(xiàn)。
[0017] 在第一方面，本發(fā)明提供用于向在帶電粒子束發(fā)生裝置中沿著波束軸傳播的帶電 粒子波施加軌道角動量的設備。該設備包括：支撐元件，該支撐元件具有適配于透射沿著波 束軸傳播的帶電粒子波的目標區(qū)域；以及，感應裝置，該感應裝置用于感應磁通，其中所述 感應裝置適于根據(jù)或沿著細長輪廓來提供磁通，以便在帶電粒子波透射經(jīng)過所述目標區(qū)域 時感應出帶電粒子波的相位相對于波束軸的角梯度。
[0018] 該設備可包括用于根據(jù)細長輪廓來傳導磁通的導磁體，并且該導磁體可包括具有 位于目標區(qū)域中的自由端部分的細長突出部。感應裝置可適于通過在該導磁體的細長突出 部中提供磁通來沿著該細長輪廓感應磁通。
[0019] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備中，細長突出部的自由端部分可位于目標區(qū)域的 基本中央的位置。
[0020] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備中，細長突出部的自由端部分可在位置上被適配 為在帶電粒子波被透射通過該目標區(qū)域時，將該自由端部分定位在帶電粒子波相對于波束 軸的基本上橫向中心點處。
[0021] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備中，支撐元件可包括用于將帶電粒子波相對于波 束軸的橫截面限制在目標區(qū)域的孔徑。
[0022] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備中，感應裝置可適于在細長突出部中提供磁通， 使得帶電粒子波的相位的角梯度基本上等于每單位角整數(shù)相移。
[0023] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備中，細長突出部可具有小于5μπι的直徑。
[0024] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備中，導磁體可包括高導磁率和低磁矯頑力的金屬 合金?？墒褂玫牟牧鲜纠峭掬摗i、NdFeB......
[0025] 矯頑力對該設備的小尺寸影響不大，因為單個磁晶粒無法被消磁，并且因此總是 具有強矯頑力。在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備中，感應裝置可包括在導磁體的感應部分 周圍的螺線管。
[0026] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備中，導磁體的感應部分可具有10 μ m到3mm之間 的直徑。
[0027] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備中，導磁體可被成形為使得直徑從感應部分到細 長突出部平滑地減少。
[0028] 感應裝置也可以是具有沿著其軸向的開口的圓柱形的導電箔，使得該箔的軸向邊 緣不會彼此觸碰，由此該箔的每一軸向邊緣都連接到不同的低電阻率條，每一個低電阻率 條都用作電接觸。感應裝置由此可形成空心螺線管。該系統(tǒng)可在沒有導磁體（例如，不具 有導磁體）的情況下操作。允許在沒有可產(chǎn)生任何磁通的導磁體的情況下進行操作是各實 施例的優(yōu)點，而導磁體由磁區(qū)組成，這些磁區(qū)在將磁通調節(jié)成真正需要的事物時將允許較 少的靈活性。
[0029] 此外，根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備可包括用于控制由感應裝置感應出的磁通的 控制器。
[0030] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的設備中，帶電粒子波可以是電子波。
[0031] 在第二方面，本發(fā)明提供一種用于向帶電粒子波施加軌道角動量的方法。該方法 包括：獲得在沿著波束軸的波束中傳播的帶電粒子波，沿著具有被定位在帶電粒子波內的 自由端部分的細長輪廓感應磁通，以使得生成帶電粒子波的相位相對于波束軸的角梯度。
[0032] 沿著細長輪廓感應磁通可包括在導磁體中感應磁通，該導磁體包括具有被定位在 帶電粒子波內的自由端部分的細長突出部。
[0033] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的方法中，角梯度可基本上等于每單位角整數(shù)相移。
[0034] 本發(fā)明還可進一步提供一種用于表征對象的方法，該方法包括：使用根據(jù)本發(fā)明 的第二方面的各實施例的用于向帶電粒子波施加軌道角動量的方法來生成帶電粒子波，使 帶電粒子波撞擊在對象上，在與該對象相互作用后獲得帶電粒子波的檢測數(shù)據(jù)，并通過考 慮該檢測數(shù)據(jù)來確定與該對象有關的信息。
[0035] 在根據(jù)本發(fā)明的各實施例的方法中，檢測數(shù)據(jù)可包括作為波長的函數(shù)的能量分 布。
[0036] 本發(fā)明還提供根據(jù)本發(fā)明的第二方面的各實施例的方法在電子顯微術中的使用。
[0037] 在第三方面，本發(fā)明提供一種用于獲得電子顯微圖像的電子顯微鏡。該電子顯微 鏡包括用于生成電子束的電子源，以及根據(jù)本發(fā)明的第一方面的各實施例的用于向所述電 子束施加軌道角動量的設備。
[0038] 在所附獨立和從屬權利要求中陳述了本發(fā)明的具體和優(yōu)選方面。來自從屬權利要 求的特征在適當時可與獨立權利要求的特征組合，且可與其他從屬權利要求的特征組合， 而不僅如權利要求中顯式陳述的那樣。
[0039] 參考以下描述的實施例，本發(fā)明的這些以及其他方面將是顯而易見的且得以說 明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0040] 圖1示出用于向平面電子波施加軌道角動量的現(xiàn)有技術光柵。
[0041] 圖2示出從如圖1所示的現(xiàn)有技術光柵中獲得的遠場電子密度。
[0042] 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的使用磁通向帶電粒子波施加軌道角動量的設 備。
[0043] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的用于使用電子渦旋波來執(zhí)行透射電子顯微術 的示例性方法。
[0044] 圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的透射電子顯微鏡的示意表示。
[0045] 圖6a和圖6b示出如根據(jù)本發(fā)明的一實施例的系統(tǒng)中可使用的充當空心螺線管 (即提供沿著細長輪廓的磁場而無需磁性材料）的感應裝置。
[0046] 圖7和圖8示出如本發(fā)明的各實施例可使用的由硅鋼（左）、Ni(中）和Nd(右） 永磁體構成的磁針的圖像。
[0047] 圖9示出針對硅鋼（左）、Ni (中）和Nd(右）永磁體末梢的電子波的相位的電子 全息圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的各實施例的特征。
[0048] 附圖僅僅是示例性的而非限制性的。在附圖中，出于說明的目的，一些元件的尺寸 可被夸大且不按比例地繪制。
[0049] 權利要求書中的任何附圖標記不應當被解釋為限制范圍。
[0050] 在不同附圖中，相同參考標記指示相同或相似元件。

【具體實施方式】
[0051] 將針對具體實施例且參考特定附圖來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此而僅由權 利要求書定義。所描述的附圖只是示意性的和非限制性的。在附圖中，出于說明目的，一些 元件的大小可被放大并且不按比例繪制。尺寸和相對尺寸并不對應于為實踐本發(fā)明的實際 再現(xiàn)。
[0052] 此外，在說明書和權利要求書中，術語"第一"、"第二"等用于在類似元素之間進行 區(qū)分，而不一定用于描述時間順序、空間順序、等級排序、或者任何其他方式的順序。應理 解，如此使用的術語在適當情況下是可互換的，且本文中所描述的本發(fā)明的實施例能以不 同于本文所描述或示出的其它順序操作。
[0053] 此外，說明書和權利要求書中的術語在……之上、在……之下等等被用于描述目 的，而不一定用于描述相對位置。應理解，如此使用的術語在適當情況下是可互換的，且本 文中所描述的本發(fā)明的實施例能以不同于本文所描述或示出的其它取向操作。
[0054] 應注意，在權利要求中使用的術語"包括"不應當被解釋為受限于下文中列出的含 義；它不排除其它元件或步驟。因此它應當被解讀為指定所述特征、整數(shù)、步驟或部件如所 述及的存在，但不排除一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟或部件或其群組的存在或添加。因 此，措詞"一種包括裝置A和B的設備"的范圍不應當被限定于僅由組件A和B構成的設備。 這意味著該設備的唯一與本發(fā)明有關的組件是A和B。
[0055] 在本說明書通篇中對"一個實施例"或"一實施例"的引用意味著結合該實施例描 述的特定特征、結構或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，在本說明書通篇中的 各個位置中短語"在一個實施例中"或"在一實施例中"的出現(xiàn)不一定全都指的是同一實施 例，但是可以是指同一實施例。此外，在一個或多個實施例中，如本領域普通技術人員根據(jù) 本公開內容顯而易見的是，特定特征、結構或特性可以任何適當?shù)姆绞浇M合。
[0056] 類似地，應當理解的是，在本發(fā)明的示例實施例的描述中，本發(fā)明的各個特征有時 在單個實施例、附圖及其描述中被組合到一起，以將本公開內容連成整體，并幫助理解各個 發(fā)明方面中的一個或多個方面。然而，本公開的方法不應被解讀為反映所要求保護的發(fā)明 需要比在每一權利要求中明確表述的特征更多的特征的意圖。相反，如所附權利要求書所 反映的，各發(fā)明性方面在于比以上公開的單個實施例的所有特征要少的特征。因此，隨詳細 描述所附的權利要求在此明確地被納入到此詳細描述中，其中每個權利要求自行作為本發(fā) 明的單獨實施例。
[0057] 此外，盡管此處描述的一些實施例包括其他實施例中所包括的一些特征但沒有其 他實施例中包括的其他特征，但是不同實施例的特征的組合意圖落在本發(fā)明的范圍內，并 且形成如本領域技術人員所理解的不同實施例。例如，在所附的權利要求書中，所要求保護 的實施例中的任何實施例均可以任何組合來使用。
[0058] 在本文提供的描述中，陳述了眾多具體細節(jié)。然而，應當理解，可以在不具有這些 具體細節(jié)的情況下實施本發(fā)明的各實施例。在其它實例中，未詳細示出眾所周知的方法、結 構以及技術，以免混淆對本描述的理解。
[0059] 在本發(fā)明的各實施例中，對帶電粒子波的軌道角動量進行引用時，是對由帶電粒 子波攜帶的角動量進行引用，而不是引用帶電粒子的固有角動量（即由自旋極化攜帶的角 動量）。攜帶這樣的軌道角動量的波束也被稱為渦旋波、具有螺旋波前的波、具有相位奇點 的波或攜帶拓撲電荷的波。
[0060] 在本發(fā)明的各實施例中，對在導磁體中感應磁通進行引用是對在該導磁體中提供 磁場（即，磁通密度）的引用。該提供磁場可包括用于提供磁場的有源裝置和無源裝置兩 者。這樣的有源裝置可包括例如通過將電流施加到感應線圈來生成磁場，而無源裝置可包 括例如永磁體。
[0061] 在第一方面，本發(fā)明涉及用于向沿著帶電粒子束發(fā)生裝置中的波束軸104傳播的 帶電粒子波102施加軌道角動量的設備100。這樣的帶電粒子波102可包括具有基本平面 波前的波束（例如，平面電子束）。具體而言，帶電粒子束發(fā)生裝置可以是電子顯微鏡，例如 諸如圖5中示出的透射電子顯微鏡300或掃描電子顯微鏡。在本描述中，應注意，在對電子 束作出進一步引用的情況下，本發(fā)明的原理同樣適用于其他類型的帶電粒子束（例如離子 束）或帶電強子束（例如，質子束），如對本領域的技術人員將是明顯的。作為說明，對圖3 作出引用以解說根據(jù)本發(fā)明的一實施例的設備的示例性示意概覽。在根據(jù)本發(fā)明的第一方 面的各實施例中，設備100包括支撐元件106,該支撐元件具有適于透射沿著波束軸104傳 播的帶電粒子波的目標區(qū)域108。該支撐元件106可包括用于將帶電粒子波相對于所述波 束軸的橫向輪廓限制于所述目標區(qū)域108的孔徑。例如，支撐元件106可包括薄板，例如具 有帶電粒子的高停止功率的薄板（例如，箔）。優(yōu)選地，這樣的支撐元件106可完全地或部 分地由非磁性材料組成，例如具有低導磁率，例如具有基本上等于真空導磁率的導磁率。這 樣的支撐元件106可適于通過在其中提供對帶電粒子波透明的目標區(qū)域108來透射帶電粒 子波。例如，支撐元件106可在其中提供有允許帶電粒子通過而使該目標區(qū)域108外部的 入射帶電粒子停止或強烈衰減的孔。具體而言，具有目標區(qū)域108的支撐元件106可在成 像設置中提供孔徑的功能。
[0062] 設備100包括感應裝置112,該感應裝置112用于沿著細長輪廓感應磁通，以便在 帶電粒子波透射過所述目標區(qū)域時感應出帶電粒子波的相位相對于波束軸的角梯度。根據(jù) 本發(fā)明的各實施例，可沿著具有位于該目標區(qū)域的自由端的細長輪廓提供磁通。磁通感應 裝置可以是無源設備或有源設備。無源設備通?？苫谟糜诟袘磐ǖ挠来旁?，而有源 設備例如可基于螺線管的存在，藉此可使用通過該螺線管的電流來感應磁通。在有源設備 的一個示例中，感應裝置112可包括纏繞在導磁體110的感應部分116周圍的螺線管。例 如，導磁體的該感應部分116可以呈圓柱形，并且可具有大于ΙΟμπι(例如幾百μπι)的直 徑，以便允許容易的制作，例如以允許將細螺線管線114纏繞在該感應部分周圍。
[0063] 在一組實施例中，該系統(tǒng)由此包括用于傳導磁通的導磁體110。該導磁體可以由具 有高導磁率的材料（例如，鐵氧體復合材料）、鎳鐵合金（諸如，透磁合金或錳游合金）或 高導磁率的非晶金屬合金（諸如金屬玻璃）組成。此外，該材料可以是例如軟磁材料。例 如，導磁體可以由高導磁率鐵鈷合金或鉬合金組成。優(yōu)選地，導磁體110可以是導電的，以 便轉移由撞擊帶電粒子束沉積的電荷。此外，導磁體110可以接地（例如電連接到電壓接 地）以用于移走額外的電荷。導磁體110可被成形為諸如直徑從感應部分116到細長突出 部118平滑地減少。導磁體可例如基本上為軸對稱體，其中感應部分116在一端，且細長突 出部118在另一端，中間具有平滑的（例如，連續(xù)彎曲的）過渡輪廓，但是本發(fā)明的各實施 例不限于此。這可允許磁通例如以很少的渦流效應和場不均勻性朝向細長突出部118高效 集中。
[0064] 細長突出部118延伸到目標區(qū)域108中，并具有位于該目標區(qū)域108中的自由端 部分。細長突出部118優(yōu)選地具有相對于目標區(qū)域108的大小而言較小的直徑，例如小于 目標區(qū)域的直徑的10 %，并優(yōu)選地小于目標區(qū)域的直徑的1 %，例如為目標區(qū)域的直徑的 0.2%。例如，對于電子顯微術中的應用，目標區(qū)域108可具有ΙΟμπι到ΙΟΟμπι之間的直 徑，例如具有50 μ m的直徑，而細長突出部可具有小于5 μ m或小于1 μ m的直徑，例如為100 nm。細長突出部118可例如使用聚焦離子束（FIB)技術來制作。
[0065] 細長突出部118可延伸到目標區(qū)域108中，并可具有位于目標區(qū)域108的基本上 中心點處的自由端部分。具體地，自由端部分在位置上被適配成在帶電粒子波透射經(jīng)過目 標區(qū)域時，將該自由端部分定位在帶電粒子波相對于波束軸104的基本上橫向中心點處。 當在細長突出部118中感應出磁通時，這在帶電粒子波透射通過目標區(qū)域108時生成帶電 粒子波的相位相對于波束軸的角梯度。感應裝置112可被適配成用于在細長突出部118中 提供磁通，使得帶電粒子波的相位的角梯度基本上等于每單位角整數(shù)相移m。例如，每單位 角相移可以在整數(shù)值的10%內，例如在范圍[0.9, 1.1]. m的范圍內，其中m為整數(shù)。因此， 當帶電粒子的基本上平面的波與包圍細長突出部118的磁場相互作用時，m個波長上的連 續(xù)相移可以在處于目標區(qū)域108的平面中并環(huán)繞細長突出部118的自由端的封閉路徑（例 如與目標區(qū)域108同軸的圓形路徑）上獲得。具體而言，這樣的平面波可被變換成攜帶拓 撲電荷m的渦旋波。
[0066] 在替換實施例中，無導磁體存在。在這樣的實施例中，感應裝置可充當空心螺線 管。感應裝置隨后沿著細長輪廓為自己創(chuàng)建磁通，以用于感應角梯度。更具體地，沿其創(chuàng)建 磁通的細長輪廓可包括位于目標區(qū)域中的自由端部分。這樣的感應裝置的一個實施例包括 導電箔620,該導電箔具有開口 325沿著其軸向的圓柱形，使得該箔620的軸向邊緣（與條 632、634 -致）不彼此接觸。由此，箔的每一軸向邊緣連接到不同的低電阻率條632、634， 每一低電阻率條用作電接觸。圖6a和圖6b中示出的這樣的空心螺線管600的示例。薄圓 柱導電箔620中的恒定電流密度是通過使該箔620與低電阻率接觸條632、634連接來創(chuàng)建 的。這樣的接觸條632、634通常比箔620厚的多，以便均勻地傳播電流。這產(chǎn)生無限精細繞 制的螺線管的效果，而無需繞制真正的螺線管。接觸可以如下完成：開始使涂有金屬642、 644的絕緣線（石英）610與接觸條632、634連接，然后將兩側642、644連接到電流源650。 這樣的線可具有約1 μ m的直徑，但各實施例不限于此?？稍谠摼€的中間處要么通過光刻要 么用FIB來創(chuàng)建如上所述的感應裝置。作為說明，本發(fā)明的各實施例不限于此，圖6a和圖 6b中示出了其示例。圖6a解說了該概念，而圖6b解說基于石英線、左部和右部的接觸點以 及如上所述在中間的空心螺線管的實際實現(xiàn)。本示例中使用的箔材料是金，所需電流處于 幾十nA的量級。
[0067] 此外，設備100可包括用于控制由感應裝置112感應的磁通的控制器120。該控制 器120可被適配于切換感應出的磁場的極性，例如以便切換由設備100生成的渦旋波的旋 向性。此外，控制器120可調制磁場強度，以便更改由設備100生成的渦旋波的拓撲電荷m。 控制器120還可調節(jié)磁場強度，以便調諧該系統(tǒng)，例如以獲得每單位角整數(shù)相移m。這樣的 調諧對于根據(jù)波束參數(shù)（例如，根據(jù)波束能量）來適配系統(tǒng)100而言是有利的。這樣的調 諧對于補償未受控制的變量（諸如，溫度效應或磁滯）而言也可能是有利的。
[0068] 此外，設備100可包括用于得到細長突出部118相對于目標區(qū)域的輪廓的定位裝 置。定位裝置可提供用于適配細長突出部118和支撐結構106之間的相對位置的可能性。 控制器可適配于控制定位裝置來提供細長突出部118和支撐結構106之間的預定相對位 置。
[0069] 在第二方面，本發(fā)明涉及一種用于向帶電粒子波（例如，在沿著波束軸的波束（諸 如電子束）中傳播的帶電粒子波）施加軌道角動量的方法。圖4示出利用根據(jù)本發(fā)明的第 二方面的施加軌道角動量的方法表征對象的示例性方法。方法200包括獲得210在沿著波 束軸104的波束中傳播的帶電粒子波，以及沿著細長輪廓感應220磁通。在一些實施例中， 這樣的磁通可被創(chuàng)建而無需導磁體。在其他實施例中，用于感應磁通的裝置可以在包括細 長突出部118的導磁體110中感應磁通。這樣的細長突出部118包括定位在帶電粒子波中 用于將磁通注入到帶電粒子波中的自由端部分。感應裝置220適配于生成帶電粒子波的相 位的相對于波束軸104的角梯度。該角梯度可基本上等于每單位角整數(shù)相移。此外，例如 除了在靠近帶電粒子波的截面與細長突出部118的表面的交界處的間斷外，該角梯度在該 截面上基本上是恒定的。例如，可以用根據(jù)本發(fā)明的第一方面的各實施例的設備100將磁 通引入220帶電粒子波。以上步驟涉及用于施加軌道角動量的方法。
[0070] 用于表征對象的方法200可進一步包括使所述帶電粒子波撞擊230在對象上，在 與所述對象相互作用后獲得240所述帶電粒子波的檢測數(shù)據(jù)，以及通過考慮所述檢測數(shù)據(jù) 來確定關于所述對象的信息250。例如，方法200可包括所執(zhí)行的用于對對象進行成像的步 驟，諸如透射電子顯微成像。檢測數(shù)據(jù)可包括例如供在電子能量損失光譜學中使用的作為 波長的函數(shù)的能量分布。
[0071] 在第三方面，本發(fā)明還涉及用于獲得電子顯微圖像的電子顯微鏡。根據(jù)本發(fā)明的 各實施例的電子顯微鏡300包括用于生成電子束的電子源303以及根據(jù)本發(fā)明的第一方面 的各實施例的用于將軌道角動量施加在電子束上的設備100。
[0072] 作為說明，本發(fā)明不限于此，圖5中示出了透射電子顯微鏡的示例。高分辨率電子 顯微鏡300被示為包括由高電壓發(fā)生器305供電的電子源303,并且還包括由透鏡電源309 供電的多個透鏡307。電子顯微鏡301還包括檢測系統(tǒng)311，檢測到的信息被應用到圖像處 理系統(tǒng)313。將電子束325入射到對象317上?？梢杂涗泴ο?17的高分辨率圖像。電子 顯微鏡300還包括用于控制成像的控制器321。額外的特征和優(yōu)點可在本發(fā)明的其他實施 例中表達出。
[0073] 本文中將在以下進一步討論本發(fā)明的工作原理，但本發(fā)明不旨在限于此。渦旋波 在圍繞渦旋軸行進時包含m2 π的相位改變，其中m為整數(shù)。這樣的渦旋攜帶圍繞渦旋軸的 角動量mh。為了簡要起見，假設渦旋軸與該運行波的傳播軸平行，但情況不一定是這樣的。
[0074] 從理論上說，當使快速電子波與磁單極子相互作用時，可產(chǎn)生電子渦旋束。磁單極 子可以用Dirac弦（Dirac string)來建模。這樣的Dirac弦是無限長并無限細的可被看 作磁偶極子的螺線管，其中這兩個極彼此越離越遠。在這樣的長螺線管的一端附近存在近 似單極子的矢勢的矢勢。
[0075] 理論上，在可被置于透射電子顯微鏡內的孔徑的中心處結束的這樣的無限延伸的 螺線管將產(chǎn)生合適的用于將平面電子波轉換成渦旋波的磁矢勢。因此，在根據(jù)本發(fā)明的各 實施例中，感應裝置（例如，螺線管）感應出導磁體中的磁通，例如導磁體由該螺線管纏繞 在其周圍的磁芯構成。這樣的磁芯可具有幾百μ m的大小，其仍可被容易地操縱。在磁芯 的一端可附連有與該磁芯相同材料的非常細并非常長的電線。優(yōu)選地，從磁芯到細電線的 過渡應盡可能的平滑，以便高效地集中磁場線，并使磁場線沿著該細電線徑向對齊。在該細 電線的末梢處，存在近似磁單極子的磁場的磁場分布。當將該末梢引入--Μ孔徑的中心處 時，可產(chǎn)生電子渦旋束。
[0076] 潛在的物理效果可以用阿哈羅諾夫-玻姆效應來解釋，本發(fā)明的各實施例并不受 理論考慮的限制，除非另外提到。常規(guī)阿哈羅諾夫-玻姆效應在電子全息學中使用，并且聲 明電子波從A點行進到B點時經(jīng)歷的相位改變Δφ不僅取決于靜電勢φ還取決于與沿著其 路徑的宏觀磁場和微觀磁場有關的磁矢勢A :
[0077]

【權利要求】
1. 一種用于將軌道角動量施加到沿著帶電粒子束發(fā)生裝置中的波束軸（104)傳播的 帶電粒子波的設備（100)，所述設備包括： 支撐元件（106)，所述支撐元件具有適配于透射沿著波束軸（104)傳播的帶電粒子波 的目標區(qū)域（108)， 用于感應磁通的感應裝置（112)， 其中所述感應裝置（112)適配于沿著細長輪廓提供磁通，以便感應所述帶電粒子波透 射經(jīng)過所述目標區(qū)域（108)時的相位相對于所述波束軸（104)的角梯度。
2. 根據(jù)權利要求1所述的設備（100)，其特征在于，所述設備（100)進一步包括用于根 據(jù)細長輪廓感應磁通的導磁體（110)，所述導磁體（110)包括具有位于所述目標區(qū)域（108) 中的自由端部分的細長突出部（118)，其中所述感應裝置（112)適配于沿著所述細長輪廓 在所述導磁體（110)的細長突出部中感應所述磁通。
3. 根據(jù)之前權利要求中的任一項所述的設備（100)，其特征在于，所述細長輪廓的自 由端部分位于所述目標區(qū)域（108)的基本上中心位置。
4. 根據(jù)權利要求1到3中的任一項所述的設備（100)，其特征在于，所述細長輪廓的所 述自由端部分在位置上被適配于在所述帶電粒子波透射經(jīng)過所述目標區(qū)域時將所述自由 端部分定位在所述帶電粒子波相對于所述波束軸（104)的基本上橫向中心點中。
5. 根據(jù)之前權利要求中的任一項所述的設備（100)，其特征在于，所述支撐元件（106) 包括用于將所述帶電粒子波相對于所述波束軸的所述橫向截面限制在所述目標區(qū)域（108) 的孔徑。
6. 根據(jù)之前權利要求中的任一項所述的設備（100)，其特征在于，所述感應裝置（112) 適配于沿著所述細長輪廓提供磁通，以使得所述帶電粒子波的相位的所述角梯度基本上等 于每單位角整數(shù)相移。
7. 根據(jù)之前權利要求中的任一項所述的設備（100)，其特征在于，所述細長突出部 (118)具有小于5μπι的直徑。
8. 根據(jù)之前權利要求中的任一項所述的設備（100)，其特征在于，所述導磁體（100)由 高導磁率的金屬合金組成。
9. 根據(jù)之前從屬于權利要求2的權利要求中的任一項所述的設備（100)，其特征在于， 所述感應裝置（112)包括圍繞所述導磁體（110)的感應部分（116)的螺線管（114)。
10. 根據(jù)權利要求9所述的設備（100)，其特征在于所述導磁體（110)的所述感應部分 (116)具有ΙΟμπι到3 mm之間的直徑。
11. 根據(jù)權利要求9或權利要求10所述的設備，其特征在于，所述導磁體（110)被成形 為使得直徑從所述感應部分（116)到所述細長突出部（118)平滑地減少。
12. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述感應裝置包括導電箔，所述導電箔 具有沿著其軸向的開口的圓柱形，使得所述箔的軸向邊緣不彼此接觸，其中所述箔的軸向 邊緣中的每一軸向邊緣連接到不同的低電阻率條，所述低電阻率條中的每一個用作電接 觸。
13. 根據(jù)權利要求12所述的設備，其特征在于，所述系統(tǒng)不包括導磁體。
14. 根據(jù)之前權利要求中的任一項所述的設備，其特征在于，進一步包括用于控制所述 感應裝置（112)所感應的磁通的控制器（120)。
15. 根據(jù)之前權利要求中的任一項所述的設備，其特征在于，所述帶電粒子波是電子 波。
16. -種用于將軌道角動量施加到帶電粒子波的方法（200)，所述方法包括： 獲得（210)在沿著波束軸（104)的波束中傳播的帶電粒子波， 沿著具有定位在所述帶電粒子波內的自由端部分的細長輪廓感應（220)磁通，使得生 成所述帶電粒子波的相位相對于所述波束軸（104)的角梯度。
17. 根據(jù)權利要求16所述的方法（200)，其特征在于，沿著細長輪廓感應磁通包括在導 磁體中感應磁通，所述導磁體包括具有被定位在所述帶電粒子波內的自由端部分的細長突 出部（118)。
18. 根據(jù)權利要求17所述的方法（200)，其特征在于，所述角梯度基本上等于每單位角 整數(shù)相移。
19. 一種用于表征對象的方法（200)，所述方法包括： 使用根據(jù)權利要求169或權利要求18所述的方法生成帶電粒子波， 使所述帶電粒子波撞擊（230)在對象上， 在與所述對象相互作用后獲得（240)所述帶電粒子波的檢測數(shù)據(jù)，以及 通過考慮所述檢測數(shù)據(jù)來確定關于所述對象的信息（250)。
20. 根據(jù)權利要求19所述的方法（200)，其特征在于，所述檢測數(shù)據(jù)包括作為波長的函 數(shù)的能量分布。
21. 在電子顯微術中使用根據(jù)權利要求19-20中的任一項所述的方法。
22. -種用于獲得電子顯微圖像的電子顯微鏡（300)，所述電子顯微鏡包括：用于生成 電子束的電子源（303)，以及根據(jù)權利要求1到15中的任一項所述的用于將軌道角動量施 加到所述電子束的設備。
【文檔編號】H01J37/26GK104303256SQ201280070115
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權日:2011年12月20日
【發(fā)明者】J·費爾貝克, G·范騰德羅 申請人:安特衛(wèi)普大學