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Vortex-Elektronenstrahlen

Erste Seite des in nature erschienen Artikels über Vortex Strahlen (Nature, 467 (Sept. 2010), pp. 301-304).

Elektronenstrahlen werden schon lange zur Analyse von Materialien verwendet – etwa in Elektronenmikroskopen. Ihre Drehung spielt dabei meist keine Rolle. Klassisch betrachtet trägt ein Elektronenstrom im Vakuum keinen Bahndrehimpuls. Quantenmechanisch allerdings muss man sich die Elektronen wie einen wellenartigen Strom vorstellen – und der kann sich insgesamt umseine Ausbreitungsrichtung herum drehen, ähnlich wie der Luftstrom in einem Tornado.
Vortex-Lichtstrahlen  werden in der Optik seit einiger Zeit verwendet (etwa als optische Pinzetten, um kleine Teilchen zu manipulieren).  Vortex-Strahlen aus Elektronen bieten ebenfalls viele neue Möglichkeiten, Nanoteilchen zu steuern oder drehimpulsbezogenen Größen zu messen.

Möglich wurde die Erzeugung der Vortex-Elektronenstrahlen mit Hilfe einer gitterartigen Maske, die aus einer Platinfolie herausgeschnitten wird. Ähnlich wie Lichtstrahlen gebeugt werden, wenn man sie durch ein feines Gitter sendet, verhält  sich auch der Elektronenstrahl, wenn er die Platinmaske passiert. Die Form dieser Maske, die nur einige Millionstel Meter misst, wurde speziell so berechnet, dass eine einfallende ebene Elektronenwelle in Vortex-Strahlen umgewandelt wird. So bildet sich hinter dem Gitter ein rechtsdrehender und ein linksdrehender Vortex-Strahl, und in der Mitte ein gewöhnlicher Elektronenstrahl ohne Rotation. Bestrahlt man mit den Elektronen ein Material, das seinerseits Einfluss auf den Drehimpuls der Elektronen ausübt, und schickt man die Elektronen anschließend durch die maßgeschneiderte Platinmaske, so ist danach entweder der rechtsdrehende oder der linksdrehende Vortex-Strahl intensiver. Das gibt die Möglichkeit, drehimpulsbehaftete Prozesse in Nanomaterialien viel genauer zu untersuchen als das bisher machbar war.

Publikationen

  1. Production and application of electron vortex beams
    J. Verbeeck, H. Tian and P. Schattschneider
    Nature, 467 (2010), pp. 301-304

  2. Atomic scale electron vortices for nanoresearch
    J. Verbeeck, P. Schattschneider, S. Lazar, M. Stöger-Pollach, S. Löffler, A. Steiger-Thiersfeld, G. Van Tendeloo
    Appl. Phys. Lett., 99 (2011), pp. 203109 1-3

  3. Sub-nanometer free electrons with topological charge
    P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach, S. Löffler, A. Steiger-Thiersfeld, J. Hell, J. Verbeeck
    Ultramicroscopy, 115 (2012), pp. 21-25

  4. Novel vortex generator and mode converter for electron beams
    P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach, and J. Verbeeck
    Phys. Rev. Lett., 109 (2012), pp. 084801 1-5