Пучки света обладают одним специфическим свойством, известным, как угловой момент вращения. Это свойство неразрывно связано с направлением, в котором поляризован свет в пучке. Но, кроме того, у света есть и орбитальный угловой момент; он появляется, если речь идет о вращении волнового фронта (воображаемого множества точек в пучке, обладающих одинаковой фазой). В отличие от обычной плоской волны, в данном случае волновой фронт вращается вокруг некоторой центральной оси и приводит к такому явлению, как сингулярность фазы в центре пучка – своего рода «вихрь», где волна имеет нулевую амплитуду, а ее фаза не определена.
Подобное свойство оптических волн используется во множестве практических приложений, в частности, при захвате в ловушку и манипуляции отдельными частицами. Оно же расширяет возможности оптической микроскопии.
Обычные плоские волны могут преобразовываться в «спиральные» при помощи специальной пластины (Spiral Phase Plate, SPP), толщина которой в каждой точке пропорциональна углу ее поворота относительно начального положения (грубо говоря, углу в терминах полярных координат). Для преобразования оптических волн используются пластинки из кремния, которые относительно просто произвести методикой литографии даже в промышленных масштабах.
Однако, практическая реализация тех же преобразований для пучков электронов оказывается намного более сложной задачей. Из квантовой механики известно, что у электрона, как и у любой другой волновой частицы, длина волны намного меньше той, что характерна для света. Это означает, что пластина, при помощи которой можно преобразовать плоскую волну в волну с вращающейся фазой, также должна быть меньшей толщины. Так, к примеру, электроны с энергией 300 КЭв потребовали бы разработки кремниевой пластинки не более 100 нм толщиной.
Но группа ученых из Японии использовала альтернативный подход. Вместо того чтобы создавать гладкую пластинку переменной толщины, они создали дискретную структуру, напоминающую винтовую лестницу. Для этого они измельчили кристалл графита и разместили отдельные его фрагменты на медной сетке, покрытой углеродной пленкой. В результате они получили площадку из графита, состоящую из отдельных кристаллов разной толщины. При этом кристаллы были размещены так, что в верхнем левом углу находился самый крупный, в верхнем правом углу – следующий по размеру, и так далее – по сходящейся к центру спирали. Измерения показали, что типичное различие в размерах кристаллов составляло 10 – 100 нм.
Свойства созданной пластинки были продемонстрированы на эксперименте с пучком электронов с энергией 300 КЭв (что соответствует длине волны порядка 0,002 нм). Плоскую волну такого пучка разбивали на две при помощи бипризмы; затем одну из них пропускали через созданную графитовую пластину, а другую – использовали в качестве опорной для сравнения. Направляя оба луча на экран и сравнивая их между собой, ученые наблюдали главную особенность волны с вращающимся фронтом – сингулярность фазы в центре пучка.
Подробно результаты работы ученых описаны в публикации в журнале Nature.
Предложенный способ реализации на практике фундаментального свойства теоретически может обеспечить лучшую разрешающую способность электронных микроскопов.
