CN104303256A - 带电粒子涡旋波生成 - Google Patents

Abstract

描述了用于将轨道角动量施加到沿着带电粒子束发生装置中的波束轴(104)传播的带电粒子波的设备(100)。该设备包括：支撑元件(106)，该支撑元件具有适配于透射沿着波束轴(104)传播的带电离子波的目标区域(108)；以及，感应装置(112)，该感应装置用于沿着具有位于所述目标区域(108)的自由端部分的细长轮廓感应磁通，并且该感应装置(112)适配于在所述细长轮廓中提供磁通，以便感应带电离子波在透射经过所述目标区域(108)时的相位相对于波束轴的角梯度。还公开了相应的方法以及其在电子显微术中的使用。

Description

带电粒子涡旋波生成

发明领域

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，电子束或离子束)施加轨道角动量的方法和系统。

发明背景

物理教科书中遇到的大多数波现象考虑平面波或球面波，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为非零整数，例如+1或－1。轨道角动量取决于电磁场的空间分布，即是由该波的涡旋度来携带的，并且不同于可归因于极化的角动量。

涡旋波在诸如量子信息、纳米操纵和天体物理学等应用中使用。涡旋波已从不同类型的波(诸如无线电波、声波和X射线波)中获得。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。加速电子的这一较小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，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能谱学(EELS)的领域中找到。EELS是透射电子显微镜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。能量损失光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1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。这接近材料中的相互作用和缺陷而言尤其有利。

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中证明的。

应注意，提供磁信息的技术在EELS中已经可用，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会限制其中可使用EMCD的应用的范围。此外，EMCD基本上被限于大于几个晶胞的空间分辨率(例如，2纳米)，因为在创建该信号时弹性衍射是必要的。此外，该技术的信噪比相对较小。另一方面，除了波长以外，涡旋电子束可能对最大空间分辨率没有基本限制，晶体的取向并不扮演重要的角色，因为干扰是由该电子束的涡旋度而非由Bragg散射引起的，并且实质上更大的信噪比可以是可实现的。使用全息重构技术来产生电子涡旋波的方法是本领域公知的。这样的方法通过用平面电子参考波束来照明计算机计算的光栅结构以获得具有预定相位的波来起作用。光栅通常通过使用聚焦离子束仪器(FI)从薄金属片(例如，几百纳米厚的Pt)中切割出。这样的光栅的示例在图1中示出，其中可看见叉形间断，叉形间断对这样的光栅而言是典型的。这是容易的重现方法，并且原则上，用于任何m值的光栅都可以用该方法来产生。然而，该方法具有该光栅同时产生以下三个输出波束的缺点，如由通过这样的光栅在图2中描绘的远场中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，光栅通常仅透射这些电子中的约50％，这进一步将感兴趣的涡旋束中的可用电流减少到最大为例如总电流的1/8。充足的电流例如对获得高信噪比而言可能是重要的。由于这三个波束分量同时存在，因此可能难以隔离来自感兴趣的涡旋束的信号。用仅选择感兴趣的波束的其他孔径(例如，可使用螺旋孔径)来克服该缺点可以是可能的。

本领域已知的产生涡旋电子束的替换方法是通过利用相位光栅，其类似于用于光子的相位光栅，但是对于电子而言，光栅基板必须极其薄，以产生2π的相移(例如，小于100纳米)。这意味着这样的光栅上的沾污可使其功能随时间恶化，因为在没有采取进一步的动作的情况下该相位将改变。

发明概述

本发明的目的在于，提供良好且高效的用于提供电子涡旋束的装置和方法。

本发明的各实施例的优点在于，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在于，可提供隔离的带电粒子涡旋波，例如可将参考波变换成涡旋波，而不生成次级波。

本发明的各实施例的优点在于，可提供用于产生带电粒子涡旋波的设备，该设备可容易地安装在预先存在的装备(例如，电子显微镜)中。本发明的各实施例的进一步优点在于，可以按成本有效的方式产生现有系统的此类附件，同时大幅度地改善该系统的能力。

本发明的各实施例的优点在于，可提供具有可调谐的轨道角动量(例如，该轨道角动量可由可控的外部信号来控制)的涡旋波。本发明的各实施例的进一步优点在于，可提供具有可被快速更改的轨道角动量(例如，该轨道角动量允许快速的计算机控制的切换)的涡旋波。

上述目标通过根据本发明的方法和设备来实现。

在第一方面，本发明提供用于向在带电粒子束发生装置中沿着波束轴传播的带电粒子波施加轨道角动量的设备。该设备包括：支撑元件，该支撑元件具有适配于透射沿着波束轴传播的带电粒子波的目标区域；以及，感应装置，该感应装置用于感应磁通，其中所述感应装置适于根据或沿着细长轮廓来提供磁通，以便在带电粒子波透射经过所述目标区域时感应出带电粒子波的相位相对于波束轴的角梯度。

该设备可包括用于根据细长轮廓来传导磁通的导磁体，并且该导磁体可包括具有位于目标区域中的自由端部分的细长突出部。感应装置可适于通过在该导磁体的细长突出部中提供磁通来沿着该细长轮廓感应磁通。

在根据本发明的各实施例的设备中，细长突出部的自由端部分可位于目标区域的基本中央的位置。

在根据本发明的各实施例的设备中，细长突出部的自由端部分可在位置上被适配为在带电粒子波被透射通过该目标区域时，将该自由端部分定位在带电粒子波相对于波束轴的基本上横向中心点处。

在根据本发明的各实施例的设备中，支撑元件可包括用于将带电粒子波相对于波束轴的横截面限制在目标区域的孔径。

在根据本发明的各实施例的设备中，感应装置可适于在细长突出部中提供磁通，使得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。

在根据本发明的各实施例的设备中，细长突出部可具有小于5μm的直径。

在根据本发明的各实施例的设备中，导磁体可包括高导磁率和低磁矫顽力的金属合金。可使用的材料示例是硅钢、Ni、NdFeB……

矫顽力对该设备的小尺寸影响不大，因为单个磁晶粒无法被消磁，并且因此总是具有强矫顽力。在根据本发明的各实施例的设备中，感应装置可包括在导磁体的感应部分周围的螺线管。

在根据本发明的各实施例的设备中，导磁体的感应部分可具有10μm到3mm之间的直径。

在根据本发明的各实施例的设备中，导磁体可被成形为使得直径从感应部分到细长突出部平滑地减少。

感应装置也可以是具有沿着其轴向的开口的圆柱形的导电箔，使得该箔的轴向边缘不会彼此触碰，由此该箔的每一轴向边缘都连接到不同的低电阻率条，每一个低电阻率条都用作电接触。感应装置由此可形成空心螺线管。该系统可在没有导磁体(例如，不具有导磁体)的情况下操作。允许在没有可产生任何磁通的导磁体的情况下进行操作是各实施例的优点，而导磁体由磁区组成，这些磁区在将磁通调节成真正需要的事物时将允许较少的灵活性。

此外，根据本发明的各实施例的设备可包括用于控制由感应装置感应出的磁通的控制器。

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。该方法包括：获得在沿着波束轴的波束中传播的带电粒子波，沿着具有被定位在带电粒子波内的自由端部分的细长轮廓感应磁通，以使得生成带电粒子波的相位相对于波束轴的角梯度。

沿着细长轮廓感应磁通可包括在导磁体中感应磁通，该导磁体包括具有被定位在带电粒子波内的自由端部分的细长突出部。

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整数相移。

本发明还可进一步提供一种用于表征对象的方法，该方法包括：使用根据本发明的第二方面的各实施例的用于向带电粒子波施加轨道角动量的方法来生成带电粒子波，使带电粒子波撞击在对象上，在与该对象相互作用后获得带电粒子波的检测数据，并通过考虑该检测数据来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，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第二方面的各实施例的方法在电子显微术中的使用。

在第三方面，本发明提供一种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，以及根据本发明的第一方面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示出从如图1所示的现有技术光栅中获得的远场电子密度。

图3示出根据本发明的一实施例的使用磁通向带电粒子波施加轨道角动量的设备。

图4示出根据本发明的一实施例的用于使用电子涡旋波来执行透射电子显微术的示例性方法。

图5是根据本发明一个实施例的透射电子显微镜的示意表示。

图6a和图6b示出如根据本发明的一实施例的系统中可使用的充当空心螺线管(即提供沿着细长轮廓的磁场而无需磁性材料)的感应装置。

图7和图8示出如本发明的各实施例可使用的由硅钢(左)、Ni(中)和Nd(右)永磁体构成的磁针的图像。

图9示出针对硅钢(左)、Ni(中)和Nd(右)永磁体末梢的电子波的相位的电子全息图，其示出了根据本发明的各实施例的特征。

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，出于说明目的，一些元件的大小可被放大并且不按比例绘制。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。这意味着该设备的唯一与本发明有关的组件是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，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、具有相位奇点的波或携带拓扑电荷的波。

在本发明的各实施例中，对在导磁体中感应磁通进行引用是对在该导磁体中提供磁场(即，磁通密度)的引用。该提供磁场可包括用于提供磁场的有源装置和无源装置两者。这样的有源装置可包括例如通过将电流施加到感应线圈来生成磁场，而无源装置可包括例如永磁体。

在第一方面，本发明涉及用于向沿着带电粒子束发生装置中的波束轴104传播的带电粒子波102施加轨道角动量的设备100。这样的带电粒子波102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，例如诸如图5中示出的透射电子显微镜300或扫描电子显微镜。在本描述中，应注意，在对电子束作出进一步引用的情况下，本发明的原理同样适用于其他类型的带电粒子束(例如离子束)或带电强子束(例如，质子束)，如对本领域的技术人员将是明显的。作为说明，对图3作出引用以解说根据本发明的一实施例的设备的示例性示意概览。在根据本发明的第一方面的各实施例中，设备100包括支撑元件106，该支撑元件具有适于透射沿着波束轴104传播的带电粒子波的目标区域108。该支撑元件106可包括用于将带电粒子波相对于所述波束轴的横向轮廓限制于所述目标区域108的孔径。例如，支撑元件106可包括薄板，例如具有带电粒子的高停止功率的薄板(例如，箔)。优选地，这样的支撑元件106可完全地或部分地由非磁性材料组成，例如具有低导磁率，例如具有基本上等于真空导磁率的导磁率。这样的支撑元件106可适于通过在其中提供对带电粒子波透明的目标区域108来透射带电粒子波。例如，支撑元件106可在其中提供有允许带电粒子通过而使该目标区域108外部的入射带电粒子停止或强烈衰减的孔。具体而言，具有目标区域108的支撑元件106可在成像设置中提供孔径的功能。

设备100包括感应装置112，该感应装置112用于沿着细长轮廓感应磁通，以便在带电粒子波透射过所述目标区域时感应出带电粒子波的相位相对于波束轴的角梯度。根据本发明的各实施例，可沿着具有位于该目标区域的自由端的细长轮廓提供磁通。磁通感应装置可以是无源设备或有源设备。无源设备通常可基于用于感应磁通的永磁元件，而有源设备例如可基于螺线管的存在，藉此可使用通过该螺线管的电流来感应磁通。在有源设备的一个示例中，感应装置112可包括缠绕在导磁体110的感应部分116周围的螺线管。例如，导磁体的该感应部分116可以呈圆柱形，并且可具有大于10μm(例如几百μm)的直径，以便允许容易的制作，例如以允许将细螺线管线114缠绕在该感应部分周围。

在一组实施例中，该系统由此包括用于传导磁通的导磁体110。该导磁体可以由具有高导磁率的材料(例如，铁氧体复合材料)、镍铁合金(诸如，透磁合金或锰游合金)或高导磁率的非晶金属合金(诸如金属玻璃)组成。此外，该材料可以是例如软磁材料。例如，导磁体可以由高导磁率铁钴合金或铂合金组成。优选地，导磁体110可以是导电的，以便转移由撞击带电粒子束沉积的电荷。此外，导磁体110可以接地(例如电连接到电压接地)以用于移走额外的电荷。导磁体110可被成形为诸如直径从感应部分116到细长突出部118平滑地减少。导磁体可例如基本上为轴对称体，其中感应部分116在一端，且细长突出部118在另一端，中间具有平滑的(例如，连续弯曲的)过渡轮廓，但是本发明的各实施例不限于此。这可允许磁通例如以很少的涡流效应和场不均匀性朝向细长突出部118高效集中。

细长突出部118延伸到目标区域108中，并具有位于该目标区域108中的自由端部分。细长突出部118优选地具有相对于目标区域108的大小而言较小的直径，例如小于目标区域的直径的10％，并优选地小于目标区域的直径的1％，例如为目标区域的直径的0.2％。例如，对于电子显微术中的应用，目标区域108可具有10μm到100μm之间的直径，例如具有50μm的直径，而细长突出部可具有小于5μm或小于1μm的直径，例如为100 nm。细长突出部118可例如使用聚焦离子束(FIB)技术来制作。

细长突出部118可延伸到目标区域108中，并可具有位于目标区域108的基本上中心点处的自由端部分。具体地，自由端部分在位置上被适配成在带电粒子波透射经过目标区域时，将该自由端部分定位在带电粒子波相对于波束轴104的基本上横向中心点处。当在细长突出部118中感应出磁通时，这在带电粒子波透射通过目标区域108时生成带电粒子波的相位相对于波束轴的角梯度。感应装置112可被适配成用于在细长突出部118中提供磁通，使得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m。例如，每单位角相移可以在整数值的10％内，例如在范围[0.9,1.1].m的范围内，其中m为整数。因此，当带电粒子的基本上平面的波与包围细长突出部118的磁场相互作用时，m个波长上的连续相移可以在处于目标区域108的平面中并环绕细长突出部118的自由端的封闭路径(例如与目标区域108同轴的圆形路径)上获得。具体而言，这样的平面波可被变换成携带拓扑电荷m的涡旋波。

在替换实施例中，无导磁体存在。在这样的实施例中，感应装置可充当空心螺线管。感应装置随后沿着细长轮廓为自己创建磁通，以用于感应角梯度。更具体地，沿其创建磁通的细长轮廓可包括位于目标区域中的自由端部分。这样的感应装置的一个实施例包括导电箔620，该导电箔具有开口325沿着其轴向的圆柱形，使得该箔620的轴向边缘(与条632、634一致)不彼此接触。由此，箔的每一轴向边缘连接到不同的低电阻率条632、634，每一低电阻率条用作电接触。图6a和图6b中示出的这样的空心螺线管600的示例。薄圆柱导电箔620中的恒定电流密度是通过使该箔620与低电阻率接触条632、634连接来创建的。这样的接触条632、634通常比箔620厚的多，以便均匀地传播电流。这产生无限精细绕制的螺线管的效果，而无需绕制真正的螺线管。接触可以如下完成：开始使涂有金属642、644的绝缘线(石英)610与接触条632、634连接，然后将两侧642、644连接到电流源650。这样的线可具有约1μm的直径，但各实施例不限于此。可在该线的中间处要么通过光刻要么用FIB来创建如上所述的感应装置。作为说明，本发明的各实施例不限于此，图6a和图6b中示出了其示例。图6a解说了该概念，而图6b解说基于石英线、左部和右部的接触点以及如上所述在中间的空心螺线管的实际实现。本示例中使用的箔材料是金，所需电流处于几十nA的量级。

此外，设备100可包括用于控制由感应装置112感应的磁通的控制器120。该控制器120可被适配于切换感应出的磁场的极性，例如以便切换由设备100生成的涡旋波的旋向性。此外，控制器120可调制磁场强度，以便更改由设备100生成的涡旋波的拓扑电荷m。控制器120还可调节磁场强度，以便调谐该系统，例如以获得每单位角整数相移m。这样的调谐对于根据波束参数(例如，根据波束能量)来适配系统100而言是有利的。这样的调谐对于补偿未受控制的变量(诸如，温度效应或磁滞)而言也可能是有利的。

此外，设备100可包括用于得到细长突出部118相对于目标区域的轮廓的定位装置。定位装置可提供用于适配细长突出部118和支撑结构106之间的相对位置的可能性。控制器可适配于控制定位装置来提供细长突出部118和支撑结构106之间的预定相对位置。

在第二方面，本发明涉及一种用于向带电粒子波(例如，在沿着波束轴的波束(诸如电子束)中传播的带电粒子波)施加轨道角动量的方法。图4示出利用根据本发明的第二方面的施加轨道角动量的方法表征对象的示例性方法。方法200包括获得210在沿着波束轴104的波束中传播的带电粒子波，以及沿着细长轮廓感应220磁通。在一些实施例中，这样的磁通可被创建而无需导磁体。在其他实施例中，用于感应磁通的装置可以在包括细长突出部118的导磁体110中感应磁通。这样的细长突出部118包括定位在带电粒子波中用于将磁通注入到带电粒子波中的自由端部分。感应装置220适配于生成带电粒子波的相位的相对于波束轴104的角梯度。该角梯度可基本上等于每单位角整数相移。此外，例如除了在靠近带电粒子波的截面与细长突出部118的表面的交界处的间断外，该角梯度在该截面上基本上是恒定的。例如，可以用根据本发明的第一方面的各实施例的设备100将磁通引入220带电粒子波。以上步骤涉及用于施加轨道角动量的方法。

用于表征对象的方法200可进一步包括使所述带电粒子波撞击230在对象上，在与所述对象相互作用后获得240所述带电粒子波的检测数据，以及通过考虑所述检测数据来确定关于所述对象的信息250。例如，方法200可包括所执行的用于对对象进行成像的步骤，诸如透射电子显微成像。检测数据可包括例如供在电子能量损失光谱学中使用的作为波长的函数的能量分布。

在第三方面，本发明还涉及用于获得电子显微图像的电子显微镜。根据本发明的各实施例的电子显微镜300包括用于生成电子束的电子源303以及根据本发明的第一方面的各实施例的用于将轨道角动量施加在电子束上的设备100。

作为说明，本发明不限于此，图5中示出了透射电子显微镜的示例。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，检测到的信息被应用到图像处理系统313。将电子束325入射到对象317上。可以记录对象317的高分辨率图像。电子显微镜300还包括用于控制成像的控制器321。额外的特征和优点可在本发明的其他实施例中表达出。

本文中将在以下进一步讨论本发明的工作原理，但本发明不旨在限于此。涡旋波在围绕涡旋轴行进时包含m2π的相位改变，其中m为整数。这样的涡旋携带围绕涡旋轴的角动量为了简要起见，假设涡旋轴与该运行波的传播轴平行，但情况不一定是这样的。

从理论上说，当使快速电子波与磁单极子相互作用时，可产生电子涡旋束。磁单极子可以用Dirac弦(Dirac string)来建模。这样的Dirac弦是无限长并无限细的可被看作磁偶极子的螺线管，其中这两个极彼此越离越远。在这样的长螺线管的一端附近存在近似单极子的矢势的矢势。

理论上，在可被置于透射电子显微镜内的孔径的中心处结束的这样的无限延伸的螺线管将产生合适的用于将平面电子波转换成涡旋波的磁矢势。因此，在根据本发明的各实施例中，感应装置(例如，螺线管)感应出导磁体中的磁通，例如导磁体由该螺线管缠绕在其周围的磁芯构成。这样的磁芯可具有几百μm的大小，其仍可被容易地操纵。在磁芯的一端可附连有与该磁芯相同材料的非常细并非常长的电线。优选地，从磁芯到细电线的过渡应尽可能的平滑，以便高效地集中磁场线，并使磁场线沿着该细电线径向对齐。在该细电线的末梢处，存在近似磁单极子的磁场的磁场分布。当将该末梢引入TEM孔径的中心处时，可产生电子涡旋束。

潜在的物理效果可以用阿哈罗诺夫-玻姆效应来解释，本发明的各实施例并不受理论考虑的限制，除非另外提到。常规阿哈罗诺夫-玻姆效应在电子全息学中使用，并且声明电子波从A点行进到B点时经历的相位改变不仅取决于静电势φ还取决于与沿着其路径的宏观磁场和微观磁场有关的磁矢势A：

该相位改变取决于所允许的路径。将a点连接到b点的两个不同的路径1、2之间的相位差取决于被两个路径1、2包封的磁通该磁通例如在常规电子全息学中利用。将注意到，相移与电子的速度无关，因此提出的设备将跨SEM和TEM在任何电子能量上都工作良好，而不会有磁通方面的改变。这优于静电设计，在静电设计中，电子速度是一个影响因素。带电粒子涡旋波可用于收集关于与其相互作用的材料的磁信息。此外，关于材料的其他信息可通过以下方式来获得：观察与带电粒子涡旋波的相互作用(例如，关于手性)以例如研究金属材料中的手性表面等离子。

类似于光学涡旋束，可实现俘获电子涡旋束内部的纳米粒子或甚至单个原子。在光学涡旋束中，俘获力与聚焦光束的非均匀场中的电介质的能量有关，而由于导致电动效应的电荷涉及磁场和静电场，对于电子而言该相互作用更复杂。该相互作用以复杂方式取决于材料的属性。由电子涡旋的螺旋几率流创建的磁场导致该磁场在涡旋轴处的最大值。因此，可预期，铁磁粒子将在电子涡旋束内部得到俘获。涡旋电子与粒子间的不可恢复的相互作用将转移角动量，并可使该粒子旋转。角速度可快速增加并达到内力超过产生点的级别。对于聚焦的涡旋束，磁场在焦平面以及涡旋束中央达到最大值。注意，显微镜透镜的磁场可利用所谓的Lorentz透镜模式来消除。这意味着可潜在地实现非常类似于对单个原子的光学俘获的漂浮状态。然而，与光学俘获的大差异在于波长的完全的不同大小，这将允许对可能导致在粒子和/或原子之间施加相互作用的原子大小的俘获。因此，在一些方面，本发明还涉及使用用于将轨道角动量施加在带电粒子束上的方法来控制粒子的移动(例如俘获粒子)。

作为说明，本发明的各实施例不限于此，讨论了示出小型磁针实际上感应涡旋束所需的对称的电子束相移的示例。发现这样的相移与电子能量无关，这有利地允许用于各种各样的应用。发现现实材料中的磁通密度可高到足以导致这样的效应，即使在仅100nm直径的杆中也如此。

各磁针是使用聚焦离子束处理来制成的，一磁针由硅钢制成、一磁针由Ni制成且一磁针由基于永磁体材料(NdFeB)的Nd制成。图7中示出了这样的针的示例，其中示出了硅钢(右)、Ni(中)和Nd永磁体(左)末梢。这示出期望大小的合适铁磁针在本发明的示例中可使用聚焦离子束(FIB)作为制造技术来制成。

进一步作为说明，这些针(硅钢(左)、Ni(中)、Nd永磁体(右))的TEM图像(TEM洛仑兹—2450倍放大)如图8所示。再次对于硅钢头(左)、Ni头(中)、Nd永磁体头(右)，用电子全息学测量到的关于电子波的相位的所得到效果如图9所示。涡旋状相位被创建在该末梢周围，这与通过长螺线管期望的类似。测量时的一些人工产物因参考波束上的散射场而发生。尤其在电线侧，现实行为实际上接近于理论。这些图像示出一些普通的磁材料可具有绰绰有余的磁通密度来创建较高量级的涡旋束(因为相等相位部分的数目为每针大于1)。

Claims (22)

1.一种用于将轨道角动量施加到沿着带电粒子束发生装置中的波束轴(104)传播的带电粒子波的设备(100)，所述设备包括：

支撑元件(106)，所述支撑元件具有适配于透射沿着波束轴(104)传播的带电粒子波的目标区域(108)，

用于感应磁通的感应装置(112)，

其中所述感应装置(112)适配于沿着细长轮廓提供磁通，以便感应所述带电粒子波透射经过所述目标区域(108)时的相位相对于所述波束轴(104)的角梯度。

2.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述设备(100)进一步包括用于根据细长轮廓感应磁通的导磁体(110)，所述导磁体(110)包括具有位于所述目标区域(108)中的自由端部分的细长突出部(118)，其中所述感应装置(112)适配于沿着所述细长轮廓在所述导磁体(110)的细长突出部中感应所述磁通。

3.根据之前权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述细长轮廓的自由端部分位于所述目标区域(108)的基本上中心位置。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述细长轮廓的所述自由端部分在位置上被适配于在所述带电粒子波透射经过所述目标区域时将所述自由端部分定位在所述带电粒子波相对于所述波束轴(104)的基本上横向中心点中。

5.根据之前权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述支撑元件(106)包括用于将所述带电粒子波相对于所述波束轴的所述横向截面限制在所述目标区域(108)的孔径。

6.根据之前权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述感应装置(112)适配于沿着所述细长轮廓提供磁通，以使得所述带电粒子波的相位的所述角梯度基本上等于每单位角整数相移。

7.根据之前权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述细长突出部(118)具有小于5μm的直径。

8.根据之前权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述导磁体(100)由高导磁率的金属合金组成。

9.根据之前从属于权利要求2的权利要求中的任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述感应装置(112)包括围绕所述导磁体(110)的感应部分(116)的螺线管(114)。

10.根据权利要求9所述的设备(100)，其特征在于所述导磁体(110)的所述感应部分(116)具有10μm到3 mm之间的直径。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的设备，其特征在于，所述导磁体(110)被成形为使得直径从所述感应部分(116)到所述细长突出部(118)平滑地减少。

12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述感应装置包括导电箔，所述导电箔具有沿着其轴向的开口的圆柱形，使得所述箔的轴向边缘不彼此接触，其中所述箔的轴向边缘中的每一轴向边缘连接到不同的低电阻率条，所述低电阻率条中的每一个用作电接触。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述系统不包括导磁体。

14.根据之前权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，进一步包括用于控制所述感应装置(112)所感应的磁通的控制器(120)。

15.根据之前权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述带电粒子波是电子波。

16.一种用于将轨道角动量施加到带电粒子波的方法(200)，所述方法包括：

获得(210)在沿着波束轴(104)的波束中传播的带电粒子波，

沿着具有定位在所述带电粒子波内的自由端部分的细长轮廓感应(220)磁通，使得生成所述带电粒子波的相位相对于所述波束轴(104)的角梯度。

17.根据权利要求16所述的方法(200)，其特征在于，沿着细长轮廓感应磁通包括在导磁体中感应磁通，所述导磁体包括具有被定位在所述带电粒子波内的自由端部分的细长突出部(118)。

18.根据权利要求17所述的方法(200)，其特征在于，所述角梯度基本上等于每单位角整数相移。

19.一种用于表征对象的方法(200)，所述方法包括：

使用根据权利要求169或权利要求18所述的方法生成带电粒子波，

使所述带电粒子波撞击(230)在对象上，

在与所述对象相互作用后获得(240)所述带电粒子波的检测数据，以及

通过考虑所述检测数据来确定关于所述对象的信息(250)。

20.根据权利要求19所述的方法(200)，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。

21.在电子显微术中使用根据权利要求19-20中的任一项所述的方法。

22.一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)，以及根据权利要求1到15中的任一项所述的用于将轨道角动量施加到所述电子束的设备。