Biến chùm electron thành ‘mì sợi’

Các nhà vật lí ở Nhật lần đầu tiên vừa tạo ra được những chùm electron biểu hiện tính chất vật lí cơ bản của mô men xung lượng góc. Giống như những chùm ánh sáng trước đây, những chùm electron này có mặt đầu sóng của chúng bị biến dạng sao cho chúng xoắn ốc trong không gian và tạo ra một “kì dị pha”. Chúng có thể dùng để chế tạo những chiếc kính hiển vi điện tử mạnh hơn.

Những mặt đầu sóng thuộc loại xoắn ốc thu được trong những chùm electron. (Ảnh: Nature).

Những chùm ánh sáng có một tính chất gọi là xung lượng góc spin, nó xuất hiện cùng với hướng mà ánh sáng đó bị phân cực. Tuy nhiên, ánh sáng còn có thể mang xung lượng góc “quỹ đạo”. Xung lượng này xuất hiện từ sự xoắn mặt đầu sóng của chùm sáng, quỹ tích tưởng tượng gồm những điểm trên đó một sóng có pha như nhau. Trái với mặt đầu sóng phẳng đơn giản của một chùm chuẩn trực, loại mặt đầu sóng này quay xung quanh một trục ở giữa và dẫn tới cái gọi là một “kì dị pha” tại chính giữa chùm tia, một loại cuộn xoáy trong đó cường độ của sóng bằng không và pha của nó không xác định. Những sóng dạng xoắn ốc như vậy đã được sử dụng trong một số ứng dụng, trong đó có “cờ lê quang học” – một chùm ánh sáng bẫy lấy và làm quay các hạt – và sự mã hóa cao chiều trong quang học lượng tử.

Bản pha xoắn ốc

Các sóng phẳng có thể biến đổi thành ba sóng xoắn ốc như thế này bằng cách cho chúng đi qua một bờ dốc cong nhỏ xíu gọi là một “bản pha xoắn ốc”, với chiều cao tại bất kì điểm nào trên dốc tỉ lệ với góc tại điểm đó. Việc xây dựng cấu trúc này cho sóng ánh sáng thì tương đối đơn giản, vì người ta có thể chạm khắc trên silicon, sử dụng kĩ thuật in khắc mà ngành công nghiệp bán dẫn đã khai thác lâu nay.

Nhưng thực hiện cái tương tự đối với những chùm electron thì khó hơn. Cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng các electron, giống như bất kì hạt nào khác, có một sóng đi cùng, nhưng bước sóng của chúng sẽ có xu hướng nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng. Điều này có nghĩa là bản pha trên cũng cần phải nhỏ hơn. Những electron với năng lượng 300 keV sẽ cần một bờ dốc cấu tạo từ silicon với chiều cao chỉ 100 nm.

Masaya Uchida và Akira Tonomura thuộc Viện RIKEN ở Wako, Nhật Bản, đã sử dụng một cách tiếp cận khác. Thay vì cố gắng xây dựng một xoắn ốc phẳng, họ xây dựng một cấu trúc kiểu bậc – tương đương với cầu thang xoắn ốc thu nhỏ.

Họ nghiền graphite, loại lấy từ ruột bút chì, thành những mảnh mịn và đặt chúng lên trên một lưới đồng tráng một màng mỏng carbon. Kết quả là một hình vuông graphite cấu tạo từ một số hình vuông nhỏ hơn có chiều dày biến thiên, với hình vuông trên cùng bên trái là dày nhất, hình vuông trên cùng bên phải dày thứ hai, và cứ thế xoắn giảm dần theo chiều kim đồng hồ. Sự chênh lệch tiêu biểu của bề dày của những hình vuông liên tiếp, hay nói cách khác là chiều dày tiêu biểu của những màng graphite của chúng, là từ 10 đến 100 nm (Nature 464 737).

Kì dị pha loại đinh ốc

Để chứng minh cho bản pha của họ, các nhà nghiên cứu đã gia tốc một chùm electron lên năng lượng 300 keV (tương ứng với bước sóng khoảng 0,002 nm) và sau đó tách chùm hạt trong một lăng kính electron. Một nửa chùm hạt được gửi qua bản pha và nửa kia vẫn giữ lại làm sóng phẳng tham chiếu. Lái hai chùm hạt lên một màn hình và quan sát vân giao thoa, các nhà nghiên cứu nhìn thấy dấu hiệu của một kì dị pha loại đai ốc – một khiếm khuyết hình chữ Y trong đó một vân mới bắt đầu tại vị trí của kì dị pha.

Miles Padgett thuộc trường đại học Glasgow mô tả nghiên cứu trên là “có tính hấp dẫn cao” và nói nó có thể mang đến những chiếc kính hiển vi điện tử mạnh hơn. Ông cho biết sự tương phản ảnh thấp trong kính hiển vi quang học có thể khắc phục một phần bằng cách khai thác pha thay cho cường độ ánh sáng truyền bởi một vật, và tin rằng công trình mới trên có thể “tạo ra những cơ hội mới cho việc sử dụng sự tạo ảnh pha trong kính hiển vi điện tử”.

Uchida hiểu rằng trong khi kĩ thuật cầu thang xoắn ốc của họ cho phép họ chứng minh tính thực tiễn của những sóng electron xoắn ốc, và do đó là tính thực tiễn của xung lượng góc quỹ đạo electron, nhưng nó không đủ chính xác để tái dựng lại các sóng ấy một cách xác thực. Ông cho biết những chùm ion hội tụ có lẽ có khả năng tạo ra những bản sóng xoắn ốc có độ chính xác vừa phải.

Thật vậy, ông đang hướng tới việc tạo dựng những mặt đầu sóng electron có hình dạng đa dạng, so sánh các sóng tạo ra trong công trình hiện nay với món mì sợi hình xoắn ruột gà. “Giống như mì sợi có nhiều dạng, sóng electron cũng có nhiều dạng”, ông nói, “thí dụ như những mặt sóng hình xoắn kép hoặc hình chữ U”.

Công trình được mô tả trên tờ Nature 464 737.

Theo physicsworld.com