En los últimos años, la comunidad científica ha sido testigo de un avance notable en el estudio y desarrollo de los vórtices de electrones. Los vórtices de electrones son haces de electrones que transportan un momento angular orbital, lo que significa que los electrones no sólo se mueven en su dirección de propagación, sino que también giran en forma de vórtice. Esta característica única ofrece muchas propiedades físicas nuevas y aplicaciones potenciales, lo que la convierte en una poderosa herramienta para explorar estructuras microscópicas y propiedades físicas de materiales, especialmente en campos como la espectroscopia de pérdida de energía quiral y la espectroscopia de dicroísmo magnético.

El estudio de los vórtices de electrones está impulsado por una comprensión más profunda de las partículas fundamentales, como los fotones y los electrones. En 1992, Allen y otros descubrieron que los rayos de luz podían transportar un momento angular orbital cuantificado, sentando las bases teóricas para la tecnología de vórtices de electrones. Los electrones, como partículas cargadas, exhiben comportamientos ondulatorios similares a los fotones, lo que les permite manipularlos y darles forma como ondas de luz para generar características de vórtice. El desarrollo de la tecnología de vórtices de electrones surge de la exploración y utilización de estas propiedades ondulatorias de las partículas.

Desde la primera creación exitosa de vórtices de electrones en 2010, este campo ha experimentado un desarrollo significativo. Inicialmente, los vórtices de electrones se generaron utilizando placas de fase espiral compuestas de películas de grafito apiladas espontáneamente para impartir momento angular orbital a los haces de electrones incidentes. Posteriormente, los científicos exploraron varios métodos para generar vórtices de electrones, como máscaras holográficas, aberraciones de lentes magnéticas y agujas magnéticas. Estas técnicas no sólo producen haces de electrones con un momento angular orbital específico, sino que también manipulan las interacciones de los vórtices de electrones con la materia y los campos eléctricos y magnéticos externos.

A pesar del importante avance en el concepto y aplicación de los vórtices de electrones, los vórtices tradicionales tienen limitaciones en sus modos de intensidad, presentando típicamente patrones de anillos circulares isotrópicos. Esta limitación se debe a la distribución constante del gradiente de fase del haz de electrones, lo que restringe la diversidad de formas del haz de electrones y limita las posibles aplicaciones de los vórtices de electrones.

Los autores del estudio han creado vórtices de electrones estructurados con distribuciones de intensidad no homogéneas basándose en la relación entre el ángulo de divergencia local y el gradiente de fase azimutal de los haces de electrones. Este avance significa que los patrones de intensidad de los vórtices de electrones se pueden personalizar según las necesidades específicas, abriendo nuevas dimensiones para la manipulación y aplicación de haces de electrones.

Los autores han demostrado cómo ajustar los electrones libres incidentes en un microscopio electrónico de transmisión utilizando hologramas generados por computadora y diseñaron máscaras de fase para producir vórtices de electrones estructurados con diferentes patrones de intensidad. Este método permite a los investigadores crear vórtices de electrones con varios patrones de intensidad, como formas de hoja de trébol, espiral y flecha personalizadas, cada una con el mismo momento angular orbital.

El estudio revela que, aunque estos vórtices de electrones pueden cuantificarse macroscópicamente mediante un único número entero que describe su invariancia topológica global, microscópicamente son en realidad una superposición de diferentes estados propios resultantes de estructuras geométricas que varían localmente. Este descubrimiento es importante para comprender y aplicar los vórtices de electrones.

Otro logro importante de esta investigación es la exploración de los estados de superposición coherentes de vórtices de electrones estructurados. Al diseñar máscaras de fase para generar vórtices de electrones estructurados con diferentes cargas topológicas, el experimento produjo con éxito estados de superposición con diferentes distribuciones de intensidad. Estos estados exhibieron patrones de interferencia únicos en forma de pétalo, lo que confirma que a pesar de estar compuestos microscópicamente por una serie de modos de momento angular orbitales discretos, los estados de superposición coherentes de los vórtices de electrones estructurados aún dependen de sus invariantes topológicas globales.

Este estudio no sólo amplía la comprensión teórica de los vórtices de electrones sino que también demuestra experimentalmente la viabilidad de controlar sus modos de intensidad manipulando la estructura local del haz de electrones. Gracias a su grado de libertad controlable adicional, los vórtices de electrones estructurados como sonda electrónica cuántica tienen un gran potencial en microscopía electrónica y pueden promover aún más diversas aplicaciones in situ, como la manipulación electrónica de nanopartículas a lo largo de trayectorias diseñadas, la interacción de electrones dependiente de patrones momento angular orbital con materia y excitación selectiva y modos de sondeo de plasmones de superficie.

Los vórtices de electrones estructurados también se pueden utilizar directamente en litografía para producir nanoestructuras moldeadas sin necesidad de escanear el haz. Además, es conveniente generalizar dichos conceptos y enfoque de generación a otros sistemas de partículas, como neutrones, protones, átomos y moléculas. Esto proporciona nuevas perspectivas y métodos para futuras investigaciones y aplicaciones de haces de partículas.

Más información: Pengcheng Huo et al, Adaptación de haces de vórtices de electrones con patrones de intensidad personalizables mediante holografía de difracción de electrones, Avances optoelectrónicos (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230184

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