扭轉的電子束能提供更高解析度
- 上線日期：2011/1/17 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國科學家最近製造出螺旋狀(helical-shaped)的電子束(electron beam)，並藉以大幅提升穿透式電子顯微鏡(TEM)的解析度，使傳統TEM難以觀察的蛋白質或病毒影像再也無所遁形，為觀察奈米世界再添一利器。
TEM的操作原理是將一束電子射入待觀察的材料中，並偵測透射的電子來建立影像。如果讓入射的電子束扭轉，電子束在材料中除了原本該有的散射外，還會與材料交換軌道角動量，因此能得到解析度更高的影像。事實上，帶角動量的扭轉光已經被應用在光學顯微鏡上，不過要讓電子束扭轉難度高很多，原因是電子的波長比光短多了，因此要使其扭轉所需通過的結構尺寸也必須小很多。
最近，美國國家標準局(NIST)的Ben McMorran等人讓電子束通過一個特別設計的全像片(hologram)，繞射的結果產生了一道平面波及數道螺旋狀電子束。NIST團隊表示，雖然還有其他方法能產生螺旋狀電子束，但採用繞射全像片更容易精確控制電子束的軌道角動量。
NIST的全像片是利用極精細的聚焦離子束(focused ion beam)在厚僅30 nm的氮化矽薄膜上，刻劃出寬僅20 nm的細溝紋。獨立(free-standing)的氮化矽薄膜不但禁得起30 keV的高能電子束照射，而且由於尺寸夠小，可以不用更動設備直接放入顯微鏡內。
扭轉電子束除了生物領域的應用外，也很適合用來觀察磁性材料，因為它們可以透過角動量轉移對電荷施加力矩(torque)。McMorran指出，磁性的基本來源是材料中電荷的角動量，而扭轉電子束提供了一個解析度空前的探索利器。
不久前，曾有日本團隊以其他方法產生電子渦束(electron vertex beam)，不過他們的電子束雖然有螺旋狀波前(wavefront)，但並不處於單一軌道量子態(Nature 464, pp.737)。另一個歐洲團隊採用類似NIST的方法，但其全像片是微米級而非奈米級(Nature 467, pp.301)。McMorran表示，他們的全像片尺寸更小更複雜，因此繞射電子束的夾角大了十倍，軌道角動量則增加了100倍。
該團隊正在設法縮小全像片的尺寸，並更仔細地研究螺旋狀電子束的基本性質，希望能發展出一套理論來探討這一切。詳見Science | doi:10.1126/science.1198804。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/44793
譯者:蔡雅芝(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
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