CN104285272A - 生成带电粒子涡旋波 - Google Patents

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Abstract

一种用于向沿带电粒子束发生装置中的轴(105)传播的带电粒子波施加轨道角动量的设备(100)，所述设备包括：包括绕所述轴(105)安排的多个在角度上间隔开的多个电导体(112)的第一导电元件(110)；第二导电元件(120)，其中所述第一导电元件(110)和所述第二导电元件(120)沿所述轴(105)的方向间隔开，并且其中所述第一导电元件(110)和所述第二导电元件(120)适于透射沿所述轴(105)传播的带电粒子波；以及用于在所述第一导电元件(110)和所述第二导电元件(120)上提供电势差的连接装置(130)。所述连接装置(130)适于向所述多个在角度上间隔开的电导体(112)提供电势，以在所述带电粒子波沿所述轴(105)传送时感应出所述带电粒子波的相位的角梯度，其中所述电势沿所述轴(105)的投影根据相对于所述轴(105)的角位置而变化。

Description

生成带电粒子涡旋波
技术领域
本发明涉及带电粒子束操纵领域。更具体地，它涉及用于向带电粒子束(例如，电子显微镜学中使用的电子束)施加轨道角动量的方法和系统。
背景技术
物理教科书中遇到的大多数波现象考虑平面波和球面波，这两者的共同点是它们的波前都形成空间中的分开的位面。然而，在理论上可存在不同拓扑的波。一种有趣类型的这种波是所谓的涡旋波，它们也被称为具有拓扑电荷的波或具有相位奇点的波。
涡旋波首先是在无线电波中发现的，并随后在光学器件中得到许多应用。这样的波携带每初级粒子的轨道角动量(OAM)，其中拓扑电荷m是非零整数，例如+1或-1。轨道角动量取决于电磁场的空间分布，即由该波的涡旋度携带，并不同于可归因于极化的角动量。
涡旋波用于诸如量子信息、纳米操纵和天体物理学等应用中。涡旋波已从不同类型的波(诸如无线电波、声波和X射线波)中得到。最近，电子涡旋束也已被产生。电子波通常在透射电子显微镜中使用，因为它们的短波长(例如具有皮米量级)对于几百keV(千电子伏)的动能而言是有利的。加速电子的该较小的波长使得它们成为创建原子大小的涡旋波的理想候选。此外，电子是带电粒子，并且因此除了每电子的轨道角动量外还携带每电子mμB的磁矩。OAM与磁力的这种联系使得它们成为探查与它们相互作用的材料的磁状态的理想候选。结合可获得的小波长，这可造成对材料的原子分辨率磁映射。
电子涡旋束的一个应用可在电子能量损失光谱学(EELS)的领域中找到。EELS是透射电子显微镜学中用来测量快速电子在材料中非弹性地散射时的能量损失的光谱技术。能量损失谱包含与材料中的原子类型、其化学键合、电子状态及其化合价有关的信息。EELS的一个引人注目的特征是它可用低于的空间分辨率来获得。已进行了原子分辨率EELS实验，这些实验逐原子地示出给定材料的构成。这在接近材料中的界面和缺点时尤其引人注意。
通过使用涡旋束，EELS中的可用信息可被扩展为包括磁信息，因为总角动量的守恒可影响管控EELS中的可能激励的偶极选择规则。例如，对于铁磁Fe和Co，可获得与通常从X射线磁手性二向色性(XCMD)中获得的光谱类似的光谱。XMCD利用各圆极化X射线中的吸收差异，而具有涡旋电子束的EELS可以用电子束(携带m＝1的电子波)来创建相同的传入角动量。然而，电子束具有优于X射线的可达成原子分辨率的优点，如通常在透射电子显微镜学中证明的。
应注意，在EELS中，提供磁信息的技术已经可用，其名称为能量损失磁手性二向色性(EMCD)。EMCD基于带有非弹性散射的晶体对Bragg散射电子束的干扰。在具有良好定义的晶体取向和厚度的情况下，也可获得非常接近于XMCD的光谱。然而，对厚度和取向的精确控制限制了其中可以使用EMCD的应用的范围。此外，EMCD在根本上被限于大于几晶胞(例如，2 nm)的空间分辨率，因为弹性衍射在创建该信号时是必需的。此外，本技术的信噪比相对低。另一方面，涡旋电子束可对于最大空间分辨率没有基本限制(波长除外)，晶体的取向不起重要作用，因为干扰是由该波束的涡旋性引起的而非由Bragg散射引起，并且相对较大的信噪比可被达成。
本领域中已知用于产生电子涡旋波的方法，这些方法使用全息重构技术。这样的方法通过用平面电子参考束照亮计算机计算得到的光栅结构以获得具有预定义相位的波来工作。该光栅通常通过使用聚焦离子束仪器(FIB)从薄金属片切割，例如几百nm厚度的Pt。这样的光栅的示例在图1中示出，其中可以看到叉状间断，这对于这样的光栅而言是典型的。这是一种容易再现的方法，并且原则上，用于任何m值的光栅可以用这一方法来生产。然而，这一方法具有该光栅同时产生三个输出波束的缺点，如图2中描绘的远场中的从这样的光栅获得的电子强度所示：感兴趣的涡旋波、参考波束、以及感兴趣的涡旋波的复共轭(即，相反旋向性的涡旋波)。这意味着可用的总电子电流分布在这三个波束上。此外，该光栅通常可能只透射电子的约50％，这进一步将感兴趣的涡旋束中的可用电流降低到例如最大为总电流的1/8。大电流可例如对于获得高信噪比而言是重要的。因为这三个波束分量是同时存在的，所以可能难以隔离来自感兴趣的涡旋波的信号。用只选择感兴趣的波束的其他孔径克服这一缺点是可能的，但这些具有其他缺点。
本领域中已知的用于产生涡旋电子束的另选方法可以使用相位光栅，它类似于用于光子的相位光栅，但对于电子而言，光栅基板必须极其薄(例如，小于100nm)以产生2π的相移。这意味着这样的光栅上的污染物可使其功能随时间恶化，因为相位将变化，但这可能通过加热或在更好的真空条件下工作来解决。
带电粒子(如电子)在穿过具有静电势的受限空间区域时经历相移。这样的相移方法在本领域中是已知的，在例如Boersch相位片中。这样的片通常包括单个静电透镜，该静电透镜可使电子束的中心部分的相位相对于该电子束的远端部分(即，远离光轴的部分)移动。这一技术基于产生静电‘单透镜’，它可包括3个金属片的堆叠，其中中心片可保持在预定电压电势V，而上片和下片保持在参考接地电势GND。此外，这些金属片通常由绝缘层分开。还可提供中心孔，例如绕光轴同轴地对齐，以允许电子穿过。制造这样的相位片以供应用于电子显微镜学中的方法在本领域中是已知的，例如基于聚焦离子束的旋转运动。
发明内容
本发明的目标是提供用于提供带电粒子涡旋束的良好且高效的装置和方法。
本发明的各实施例的优点是可以提供隔离的带电粒子涡旋波，例如参考波可被转换成涡旋波而不生成次级波。
本发明的各实施例的优点是可获得具有高粒子电流的涡旋波。
本发明的各实施例的优点是用于提供带电粒子涡旋波的装置可被高效地且成本高效地制造。
本发明的各实施例的优点是可提供一种用于产生带电粒子涡旋波的设备，该设备可容易地安装在现有装备(例如，电子显微镜)中。本发明的各实施例的又一优点是现有系统的这样的附件可按成本高效的方式来产生，同时相当地提高该系统能力。
本发明的各实施例的优点是可提供具有可调谐的轨道角动量的涡旋波，例如轨道角动量可由外部信号控制。本发明的各实施例的又一优点是可提供具有可被快速更改的轨道角动量的涡旋波，例如轨道角动量允许快速的计算机控制的切换。
上述目的通过根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面，本发明提供用于向沿带电粒子束发生装置中的轴传播的带电粒子波施加轨道角动量的设备。这一设备包括第一导电元件，所述第一导电元件包括绕所述轴安排的多个在角度上间隔开的电导体。该设备还包括第二导电元件，其中所述第一导电元件和所述第二导电元件沿所述轴的方向间隔开，并且其中所述第一导电元件和所述第二导电元件适于透射沿所述轴传播的带电粒子波。所述设备还包括用于在所述第一导电元件和所述第二导电元件上提供电势差的连接装置，其中所述连接装置适于向所述多个在角度上间隔开的电导体提供电势，以在所述带电粒子波沿所述轴传送时感应出所述带电粒子波的相位的角梯度。这一电势沿所述轴的投影根据相对于所述轴的角位置而变化。
在根据本发明的各实施例的设备中，带电粒子波的相位的角梯度可基本上等于每单位角的整数相移。
在根据本发明的各实施例的设备中，连接装置可包括用于接收外部提供的电压的电压端、接地端、以及串联连接在电压端和接地端之间以形成电压源电阻串的多个电阻元件。每一在角度上间隔开的电导体可连接到所述电压源电阻串的对应一档。本发明的各实施例的优点可以是可提供用于提供绕静电势的轴的角变化的高效装置。
在根据本发明的各实施例的设备中，可向第一导电元件提供至少第一孔径，且可向第二导电元件提供至少第二孔径。所述或每一第一孔径或者所述或每一第二孔径可基本上沿所述轴对齐，以允许沿所述轴传播的带电粒子波的透射。
在根据本发明的各实施例的设备中，所述至少第一孔径可包括在所述多个在角度上间隔开的电导体中的每一个中提供的孔径。本发明的各实施例的优点可以是可通过电势根据相关于中心轴的角位置变化的简单且高效的装置来提供基本上同质的静电势的局部区域。
此外，一种根据本发明的各实施例的设备可包括用于将所述第一导电元件和所述第二导电元件间隔开的第一电绝缘间隔件。本发明的各实施例的优点可以是可提供稳健且机械稳定的设备。
此外，一种根据本发明的各实施例的设备可包括第三导电元件，所述第三导电元件适于透射沿所述轴传播的带电粒子波，并且被安排成使得所述第一导电元件与所述第二导电元件和所述第三导电元件沿所述轴的方向间隔开且被定位在所述第二导电元件和所述第三导电元件之间。本发明的各实施例的优点可以是可提供电屏蔽的设备，该设备例如可通过带电粒子波来高效地转移存放在所述设备中的电荷。
在根据本发明的各实施例的设备中，所述连接装置可适用于向所述第二导电元件和/或所述第三导电元件提供接地电压。
此外，一种根据本发明的各实施例的设备可包括用于将所述第一导电元件和所述第三导电元件间隔开的第二电绝缘间隔件。
此外，一种根据本发明的各实施例的设备可包括用于控制通过所述连接装置提供给所述在角度上间隔开的多个电导体的电势的控制器。
在根据本发明的各实施例的设备中，带电粒子波可以是电子波。
在第二方面，本发明提供一种用于向带电粒子波施加轨道角动量的方法。这一方法包括以下步骤：获得沿波束轴在波束中传播的带电粒子波以及在这一带电粒子波中提供基本上沿所述波束轴定向的电势差。这一电势差根据相对于所述波束轴的角位置而变化，以感应出所述带电粒子波的相位的角梯度。
在根据本发明的各实施例的方法中，角梯度可基本上等于每单位角的整数相移。
本发明还可提供用于对对象进行成像的方法，该方法可包括：使用根据本发明的各实施例的方法来向带电粒子波施加轨道角动量，使带电粒子波撞击该对象，在与该对象相互作用后获得带电粒子波的检测数据，并考虑该检测数据确定与该对象有关的信息。
在根据本发明的各实施例的方法中，这一检测数据可包括作为波长的函数的能量分布。
本发明还提供根据本发明的各实施例的方法在电子显微镜学中的使用。
在第三方面，本发明提供用于获得电子显微图像的电子显微镜。该电子显微镜包括用于生成电子束的电子源，以及根据本发明的各实施例的用于向所述电子束施加轨道角动量的设备。
在所附独立和从属权利要求中陈述了本发明的具体和优选方面。来自从属权利要求的特征在适当时可与独立权利要求的特征组合，且可与其他从属权利要求的特征组合，而不仅如权利要求中显式陈述的那样。
参考以下描述的实施例，本发明的这些以及其他方面将是显而易见的且得以说明。
附图说明
图1示出用于向平面电子波施加轨道角动量的现有技术光栅。
图2示出从图1所示的现有技术光栅中获得的远场电子密度。
图3示出根据本发明的各实施例的设备的概览。
图4示出根据本发明的第一实施例的第一导电元件。
图5示出根据本发明的第二实施例的第一导电元件。
图6示出根据本发明的各实施例的第二导电元件。
图7示出根据本发明的各实施例的示例性方法。
图8是根据本发明的一实施例的透射电子显微镜的示意表示。
附图仅仅是示例性的而非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。
权利要求书中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。
在不同附图中，相同参考标记指示相同或相似元件。
具体实施方式
将针对具体实施例且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书定义。所描述的附图只是示意性的和非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。尺寸和相对尺寸并不对应于为实践本发明的实际再现。
此外，在说明书和权利要求书中，术语“第一”、“第二”等用于在类似元素之间进行区分，而并不一定用于描述时间顺序、空间顺序、等级排序、或者任何其他方式的顺序。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它顺序操作。
此外，说明书和权利要求书中的术语在……之上、在……之下等等被用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它取向操作。
应注意，在权利要求中使用的术语“包括”不应当被解释为受限于下文中列出的含义；它不排除其它元件或步骤。因此它应当被解读为指定所述特征、整数、步骤或部件如所述及的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤或部件或其群组的存在或添加。因此，措词“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着该设备与本发明有关的唯一相关组件是A和B。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中的各个位置中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现不一定全都指的是同一实施例，但是可以是指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如本领域普通技术人员根据本公开内容显而易见的是，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式组合。
类似地，应当理解的是，在本发明的示例实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例、附图及其描述中被组合到一起，以将本公开内容连成整体，并帮助理解各个发明方面中的一个或多个方面。然而，本公开的方法不应被解读为反映所要求保护的发明需要比在每一权利要求中明确表述的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求书所反映的，各发明性方面在于比以上公开的单个实施例的所有特征要少的特征。因此，随详细描述所附的权利要求在此明确地被纳入到此详细描述中，其中每个权利要求自行作为本发明的单独实施例。
此外，尽管此处描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
在本文提供的描述中，陈述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在不具有这些具体细节的情况下实施本发明的各实施例。在其它实例中，未详细示出众所周知的方法、结构以及技术，以免混淆对本描述的理解。
在本发明的各实施例中，在对带电粒子波的轨道角动量进行引用时，是对由带电粒子波携带的角动量进行引用，而不是引用带电粒子的固有角动量(即由自旋极化携带的角动量)。携带这样的轨道角动量的波束也被称为涡旋波、具有螺旋波前的波、具有相位奇点的波以及携带拓扑电荷的波。这些带电粒子可以是带电基本粒子(例如电子或质子)或展现共轭波粒二象性的复合粒子(例如，离子)。在本描述中，为简明起见，对电子进行了引用，但应当明白，本发明的各实施例可等效地很好地适用于其他类型的带电粒子，如强子(例如，质子或离子)，如本领域技术人员将显而易见的。这些其他类型的带电粒子的进一步考虑，例如涉及这些粒子的特定静止质量、能量和/或电荷，可被纳入考虑以简化实践，如本领域技术人员将容易理解的。
在第一方面，本发明涉及用于向沿带电粒子束发生装置中的轴传播的带电粒子波施加轨道角动量的设备。这样的带电粒子波可包括具有基本平面波前的波束(例如，平面电子束)。具体而言，带电粒子束发生装置可以是电子显微镜，例如透射电子显微镜或扫描电子显微镜或聚焦离子束发生器。根据本发明的第一方面的各实施例的这一设备包括第一导电元件和第二导电元件，该第一导电元件包括绕轴安排的多个在角度上间隔开的电导体。第一和第二导电元件沿该轴的方向间隔开。第一和第二导电元件还适于传送沿该轴传播的带电粒子波。该设备还包括用于在所述第一和第二导电元件上提供电势差的连接装置，其中这一连接装置适于向多个在角度上间隔开的电导体提供电势。这一电势沿所述轴的投影根据相对于所述轴的角位置而变化，例如使得可以提供所述第一和第二导电元件之间的电势差相对于绕所述轴的角位置的角梯度。具体而言，所述连接装置适于向所述多个在角度上间隔开的电导体提供电势以在所述带电粒子波沿所述轴传送时感应出所述带电粒子波的相位的角梯度。
作为说明，本发明的各实施例不限于此，将参考指示根据本发明的一实施例的示例性设备或其组件的图3到图6进一步描述多个标准和可任选特征。
在图3中，示出了根据本发明的这一第一方面的各实施例的设备100的示意概览。设备100包括第一导电元件110。这一第一导电元件110包括绕轴105安排的多个在角度上间隔开的电导体112，例如如在图4和5中所示。设备100还包括第二导电元件120，例如如在图6中所示。在角度上间隔开的电导体112可在轴向上朝轴105延伸，例如从环绕轴105的轮缘结构延伸。在角度上间隔开的电导体112可结合第二导电元件120来动作以电容性地存储电荷，例如以生成多个静电场，每一静电场具有在轴105的方向上取向的显著分量。在角度上间隔开的电导体112的数量优选地足够大以提供对全环的足够采样，例如以45°间隔开的8个导体。然而，少至2个在角度上间隔开的电导体112(例如，每一个导体绕轴105覆盖大约180°(例如每一个导体形成178°的楔形弧))可足以生成涡旋波。在具有少至2个在角度上间隔开的电导体112的实施例中，散光可对涡旋波的生成作出贡献。在其他实施例中，10个以上在角度上间隔开的电导体112可被使用，例如30个在角度上间隔开的电导体或甚至100个在角度上间隔开的电导体112可被使用。本领域技术人员将显而易见的是，最大数量的在角度上间隔开的电导体112可仅受被用于制造的方法可达到的分辨率的限制。
尽管较大数量的在角度上间隔开的电导体112可以提供由这些电导体112在绕轴大约360°上生成的静电场的平滑角梯度的较佳近似，但电导体112也可吸收或部分衰减沿轴105定向的带电粒子波。由此，在角度上间隔开的电导体112的数量(例如，8个这样的导体)可被确定为带电粒子波透射与静电场平滑度之间的折中。
第一和第二导电元件110、120沿轴105的方向间隔开。在参考电压(例如接地电压)被施加到第二导电元件120，且一系列根据相对于轴105的角位置而增加的电压被施加到在角度上间隔开的电导体112时，每一电导体112可以与第二导电元件120协作地作为沿轴105传播(例如垂直于第一和第二导电元件110、120传播)的带电粒子波上的静电透镜。每一静电透镜可向带电粒子波的局部部分(例如，相对于轴105的角扇区)施加相移，例如与第二导电元件120和电导体112之间的电势差成比例的相移。
第一和第二导电元件110、120还适于传送沿轴105传播的带电粒子波。可以向第一导电元件110提供至少第一孔径114且可以向第二导电元件120提供至少第二孔径124。第一一个或多个孔径或者第二一个或多个孔径可基本上沿轴105对齐，以允许沿这一轴105传播的带电粒子波的透射。例如，第一一个或多个孔径114以及第二一个或多个孔径124可以允许带电粒子穿过，同时阻止或强烈衰减预定目标区域外部的入射带电粒子。具体而言，这些孔径可以提供成像装置(例如，电子显微镜)中的成像孔径的功能。
在一个实施例中，至少一个第一孔径114可包括多个孔径，例如在多个在角度上间隔开的电导体112中的每一个中提供的孔径，如在图5中所示。在这样的实施例中，在角度上间隔开的电导体112可以例如在形状上基本上是三角形的，具有朝轴105定向的角。这一三角形的中心区域可具有在其中提供的孔，使得带电粒子波可穿过由这样的孔形成的孔径。这样的三角形导体与第二导电元件120之间的电势差所形成的静电场可以是同质的，并且在这一孔径所提供的开口和第二导电元件120中的对应孔径上基本上是均匀的，例如在弱透镜近似中。
在另一实施例中，如图4所示，在角度上间隔开的电导体112可包括从外围轮缘朝轴105延伸的加长矩形导体。可在这样的加长矩形导体之间提供孔径，以便有利地最小化电导体112的暴露给沿轴105的方向传播的带电粒子波的面积。这可具有允许简单构造的进一步优点，例如需要很少且易于执行各工艺步骤。这样的电导体112与第二导电元件120所生成的静电场可基本上根据相对于轴105的角位置持续变化，例如，带电粒子波中的感应出的相位可根据角位置基本上线性变化。
设备100还可包括用于间隔开第一和第二导电元件110、120的第一电绝缘间隔件160。在第一和第二导电元件110、120之间的电绝缘可仅由真空间隙提供的情况下，由介电固态材料构成的绝缘间隔件160可被安排在第一和第二导电元件110、120之间，例如以用于改进的稳健性、电属性以及机械稳定性。例如，第一和第二导电元件110、120可包括安排在绝缘板(例如，玻璃或硅板)的相对侧的导电层。例如，例如具有100 nm厚度的低应力氮化硅膜(例如，包括氮化硅(Si3N4)或氧化硅(Sio2))可被用作基板材料，例如形成第一电绝缘间隔件160，其上安排有例如具有50 nm厚度的金(Au)导电层。这些导电层可通过电子束光刻和Au的电子束蒸镀来获得。这样的膜可附到支持框架，例如包括200μm厚的Si(100)。例如利用聚焦离子束光刻(FIB)可在绝缘间隔件160中(例如在氮化硅膜中)以及在第一和第二导电元件(例如，金层)中提供对齐的孔径。第一导电元件110可优选地具有若干100nm厚度，例如范围为100nm到1μm的厚度，例如200nm、500nm或800nm的厚度，因为第一导电元件110的增加的厚度可需要较低的电压来达到带电粒子波中的相等的感应出的相位差。第二导电元件120和第三导电元件(在提供这样的第三导电元件140的实施例中)的厚度可以小于第一导电元件110的厚度，例如小于100nm，例如50nm。
在根据本发明的第一方面的特定实施例中，设备100可包括适于透射沿轴105传播的带电粒子波的第三导电元件140。第三导电元件140可被安排成使得第一导电元件110沿轴105的方向与第二导电元件120和第三导电元件140间隔开并且被定位在第二导电元件120和第三导电元件140之间。设备100还可包括用于将第一和第三导电元件110、140间隔开的第二电绝缘间隔件170，例如在组成和形状上与第一电绝缘间隔件160相似的绝缘间隔件170。例如，第二导电元件120和第三导电元件140可以形成分别通过第一电绝缘间隔件160和第二电绝缘间隔件170与安排在中心的第一导电元件110间隔开的顶部和底部层。第三导电元件140和第二导电元件120两者可连接到共同接地电压，例如以提供安排在中心的第一导电元件110的适当的电屏蔽。
设备100还包括用于在第一导电元件110和第二导电元件120之间提供电势差的连接装置130。这一连接装置130适于向多个在角度上间隔开的电导体提供电势。例如，连接装置130可以向在角度上间隔开的电导体112中的每一个提供电压，其中每一电导体112接收比绕轴105的在角度上连续的序列中的前一电导体更大的电压。因此，可以提供绕轴105的电势差的角梯度。每一电导体112可以结合第二导电元件120担当静电透镜，以在带电粒子波沿轴105传送时感应出带电粒子波的相位的角梯度。从第一电导体112(例如接地电导体)开始，可以沿环绕轴105的路径遍历一系列电导体112，其中每一电导体112接收到比在这一序列中的前一电导体112更高的电压。或者，连接装置130可包括用于每一个在角度上间隔开的电导体112的外部电压端，例如以分开且独立地启用对每一元件上的电势的准确控制。
带电粒子波的这一感应出的相位可以是作为相对于轴105的角位置的函数的单调函数，例如相对于参考角位置的角度，该参考角位置为例如对应于多个在角度上间隔开的电导体112中的接地电导体的位置。例如，这一单调函数可以是严格单调的函数，即其中进一步远离0°的角位置的每一后续函数值大于较接近0°的角位置的每一先前函数值，或者其中进一步远离0°的角位置的每一后续函数值低于较接近0°的角位置的每一先前函数值。带电粒子波的相位的这一角梯度可基本上等于每单位角的整数相移，使得可生成具有预定拓扑电荷(例如，表示涡旋波的涡旋度和旋向性的带符号的拓扑电荷)的涡旋波。
连接装置130可包括用于接收外部提供的电压V的电压端、用于连接到电接地的接地端、以及串联连接在所述电压端和所述接地端之间以形成电压源电阻串的多个电阻元件145，每一在角度上间隔开的电导体被连接到所述电压源电阻串的对应一档。连接装置130还可适用于向第二导电元件和/或第三导电元件提供接地电压。
此外，设备100可包括用于控制由连接装置提供给多个在角度上间隔开的电导体112的这一电势(例如由连接装置提供的在角度上增加的电势)的控制器150。例如，这一控制器可以使电势自适应以改变所生成的涡旋波的拓扑电荷，和/或可以切换电势的极性以反转这一涡旋波的拓扑电荷。控制器150还可适用于控制设备100的其他参数，例如以控制至少一个致动器(未示出)(例如压电元件)的致动，以定位和对齐设备100。
设备100还可包括用于概括相对于目标区域在角度上变化的电势的定位装置。在其他实施例中，设备100可被集成在孔径带中，例如电子显微镜的孔径带，使得定位可已由其中放置这一孔径带的孔径固定器提供。
在第二方面，本发明涉及一种用于向带电粒子波施加轨道角动量的方法。这一方法包括以下步骤：获得沿波束轴105在波束中传播的带电粒子波，以及在这一带电粒子波中提供基本上沿波束轴105定向的电势差。电势差沿波束轴105的投影根据相对于波束轴105的角位置而变化，以感应出带电粒子波的相位的角梯度。
图7示出根据本发明的这一第二方面的示例性方法200。这一方法200包括获得210沿波束轴105在波束中传播的带电粒子波。例如，这样的带电粒子波可以是在电子显微镜(如图8所示的透射电子显微镜)中生成的电子波。方法200还包括在这一带电粒子波中提供基本上沿波束轴定向的电势差。例如，根据本发明的第一方面的设备100可被定位在带电粒子波中，以生成这样的电势差，例如设备100的第一导电元件110和第二导电元件120之间的电势差。这一电势差根据相对于波束轴105的角位置而变化，以感应出所述带电粒子波的相位的角梯度。相位的这一角梯度可基本上等于每单位角整数相移，例如以获得与这一整数相对应的预定拓扑电荷的波。
在第三方面，本发明涉及一种用于对对象进行成像的方法250。在图7中示出的根据本发明的各实施例的示例性方法250包括使用根据本发明的第二方面的方法200向带电粒子波施加轨道角动量。方法250还包括使带电粒子波撞击260对象，在与对象相互作用之后获得270带电粒子波的检测数据，以及考虑这一检测数据来确定与该对象有关的信息280。这一检测数据可包括作为波长的函数的能量分布。
在第四方面，本发明涉及用于获得电子显微图像的电子显微镜300，该电子显微镜包括用于生成电子束的电子源303和根据本发明的第一方面的用于向电子束施加轨道角动量的设备。
作为说明，本发明不限于此，透射电子显微镜的示例在图8中示出。高分辨率电子显微镜300被示为包括由高电压发生器305供电的电子源303，并且还包括由透镜电源309供电的多个透镜307。电子显微镜301还包括检测系统311，检测到的信息被施加到图像处理系统313。电子束315入射在对象317上。对象317的高分辨率图像可被记录。电子显微镜300还包括用于控制成像的控制器321。其他特征和优点可在本发明的其他方面表达。
本发明的原理可通过下文阐明的描述来明晰，本发明的各实施例不旨在受这些原理的限制。
在绕涡旋轴行进时，涡旋波包含m2π的相位变化，其中m是整数。这样的旋涡携带绕涡旋轴的角动量。为简明起见，假定涡旋轴与行进波的传播轴平行，但这不是必要的条件。
电子波经历的相位变化依赖于与宏观和微观场相关的静电势和磁向量势A，连同其路径：
一组静电透镜可被用来各自产生不同的相移，以近似螺旋相位片，该螺旋相位片在绕孔径的中心环绕时在闭环上具有从0到m2π的相移，其中m是预期拓扑电荷。具有按绕光轴的环来定位的8个静电透镜的设置可以在向这些透镜施加电势时产生所需效果：顺序地从该环中的第一透镜到最后透镜，步进地从0V到最大电压Vmax。每一透镜上的所需电势可通过将这些透镜串联连接并依赖互连电阻来达到，例如通过设计每一连接段具有相同电阻。以此方式，该设备可只需要两个外部连接，即连接到接地电势GND和最大电压Vmax。本领域技术人员将显而易见的是，每一透镜上的所需电势也可由每一透镜上的独立电压端分开提供，例如以允许对设置进行更好的外部控制。
该设备可被适配于置于公共孔径带中，例如专用于一种类型的电子显微镜，带有馈通能力。例如，对于电子显微镜，常规双棱镜孔径可以是合适的。
静电涡旋相位片可增加在电子涡旋束中可用的电流的量并且可改进用于在进行中改变角动量的灵活性。这样的设置的很大优点是以下事实：在这一过程中损失了少量电子。对于本领域已知的常规全息孔径设置，考虑到全息掩膜具有50％的填充因子，只有穿过全息掩膜的所有电子的25％可对单个涡旋束作出贡献。这将意味着大约电子电流中的8倍增益。另一优点是通过改变固定电势来灵活选择拓扑电荷。对于将创建干扰波前的连续性的相位片的电压(即在一次旋转之后，相位变化不是2π的整数倍)而言，可发生非常有趣的效果。在原理上，不允许这样的状态存在，但该系统可迫使波束属性进行适应以满足该要求。
相位的符号可被切换的容易性可便于区别样本中磁效果与由于晶体中原子的存在而由静电场造成的相移。这是非常重要的优点，因为在常规全息设置中，样本需要被机械地翻转。这花费时间且可使得该方法不可靠，因为磁域在这一过程期间可偏移。因此，本发明的各实施例可具有提供材料表征的附加信息的优点和/或通过提供用于改变带电涡旋束的涡旋度(并且尤其是改变旋向性)的有效设置来进行成像的优点。另一优点是相移的强度。确实，螺旋电流的一次旋转可造成一个封闭的磁通量和伴随的相移。因为波长是皮米级，所以在具有约10 nm厚度的典型的透射电子显微样本中可存在大量旋转。这一论点的重要性可通过以下事实来理解：当前，空间分辨率受到的限制。
与光学涡旋束类似，将纳米粒子或甚至单个原子陷获电子涡旋束内是可达成的。在光学涡旋束中，陷获力与聚焦光束的不同质场中的介电介质的能量有关，而对于电子而言，由于导致涉及磁场和静电场的电动效果的电荷，相互作用更加复杂。该相互作用以复杂的方式依赖于材料的属性。由电子涡旋的螺旋概率的电流所创建的磁场造成该磁场的最大值处于涡旋轴处。因此，可以预期铁磁粒子将被陷获在电子涡旋束内。涡旋电子与该粒子的非弹性相互作用将转移角动量并且可使得该粒子旋转。角速度可快速建立并且达到内部力超越屈服点的水平。对于聚焦涡旋束，磁场在焦平面处且在涡旋束的中心处达到最大值。注意，通过使用所谓的Lorentz透镜模式，显微镜透镜的磁场可被消除。这意味着潜在地可实现非常类似于单个原子的光学陷获的漂浮情况。然而，与光学陷获的很大差别是完全不同的波长尺度，这将允许陷获原子尺寸，从而可能造成粒子和/或原子之间的被迫相互作用。因此，在一些方面，本发明还涉及使用用于向带电粒子束施加轨道角动量的方法来控制粒子的移动，例如用于陷获粒子。

Claims (17)

1.-一种用于向沿带电粒子束发生装置中的轴(105)传播的带电粒子波施加轨道角动量的设备(100)，所述设备包括：
-包括绕所述轴(105)安排的多个在角度上间隔开的电导体(112)的第一导电元件(110)，
-第二导电元件(120)，其中所述第一导电元件(110)和所述第二导电元件(120)沿所述轴(105)的方向间隔开，并且其中所述第一导电元件(110)和所述第二导电元件(120)适于透射沿所述轴(105)传播的带电粒子波，以及
-用于在所述第一导电元件(110)和所述第二导电元件(120)上提供电势差的连接装置(130)，
其中
-所述连接装置(130)适于向所述多个在角度上间隔开的电导体(112)提供电势，以在所述带电粒子波沿所述轴(105)传送时感应出所述带电粒子波的相位的角梯度，其中所述电势沿所述轴(105)的投影根据相对于所述轴(105)的角位置而变化。
2.-如权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述带电粒子波的相位的角梯度基本上等于每单位角整数相移。
3.-如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述连接装置(130)包括用于接收外部提供的电压的电压端、接地端、以及串联连接在所述电压端和所述接地端之间以形成电压源电阻串的多个电阻元件(145)，每一在角度上间隔开的电导体(112)连接到所述电压源电阻串的对应一档。
4.-如前述权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，向所述第一导电元件(110)提供至少第一孔径(114)且向所述第二导电元件(120)提供至少第二孔径(124)，所述或每一第一孔径(114)以及所述或每一第二孔径(124)基本上沿所述轴(105)对齐，以允许沿所述轴(105)传播的带电粒子波的透射。
5.-如权利要求4所述的设备(100)，其特征在于，所述至少第一孔径(114)包括在所述多个在角度上间隔开的电导体(112)中的每一个中提供的孔径。
6.-如前述权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，还包括用于将所述第一导电元件(110)和所述第二导电元件(120)间隔开的第一电绝缘间隔件(160)。
7.-如前述权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，还包括第三导电元件(140)，所述第三导电元件适于透射沿所述轴(105)传播的带电粒子波，并且被安排成使得所述第一导电元件(110)与所述第二导电元件(120)和所述第三导电元件(130)沿所述轴(105)的方向间隔开且被定位在所述第二导电元件和所述第三导电元件之间。
8.-如权利要求7所述的设备(100)，其特征在于，所述连接装置(130)适于向所述第二导电元件(120)和/或所述第三导电元件(130)提供接地电压。
9.-如权利要求7或8所述的设备(100)，其特征在于，还包括用于将所述第一导电元件和所述第三导电元件(140)间隔开的第二电绝缘间隔件(170)。
10.-如前述权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，还包括用于控制由所述连接装置(130)提供给所述多个在角度上间隔开的电导体(112)的所述电势的控制器(150)。
11.-如前述权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述带电粒子波是电子波。
12.-一种用于向带电粒子波施加轨道角动量的方法(200)，所述方法包括：
-获得(210)沿波束轴(105)在波束中传播的带电粒子波，以及
-在所述带电粒子波中提供(220)基本上沿所述波束轴(105)定向的电势差，
其特征在于，所述电势差沿所述波束轴(105)的投影根据相对于所述波束轴(105)的角位置而变化，以感应出所述带电粒子波的相位的角梯度。
13.-如权利要求12所述的方法(200)，其特征在于，所述角梯度基本上等于每单位角整数相移。
14.-一种用于对对象进行成像的方法(250)，所述方法(250)包括使用如权利要求12或13所述的方法(200)向带电粒子波施加轨道角动量，使所述带电粒子波撞击(260)所述对象，在与所述对象相互作用之后获得(240)所述带电粒子波的检测数据，以及考虑所述检测数据来确定与所述对象有关的信息(250)。
15.-如权利要求14所述的方法(250)，其特征在于，所述检测数据包括作为波长的函数的能量分布。
16.-如权利要求12-13中的任一项所述的方法在电子显微学中的用途。
17.-一种用于获得电子显微图像的电子显微镜(300)，所述电子显微镜包括用于生成电子束的电子源(303)以及如权利要求1到11中的任一项所述的用于向所述电子束施加轨道角动量的设备。
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