비엔나 대학교: 레이저 광으로 전자빔 형성 및 패터닝

과제

Thomas Juffmann 박사는 비엔나 대학교(오스트리아)의 부교수로, 연구 그룹은 “검출된 각 프로브 입자에서 추출된 정보를 최대화”하는 광전자 현미경의 새로운 이미징 기술 개발에 힘쓰고 있습니다. 이 연구에는 이론 연구, 멀티패스 현미경, 적응 광학 및 광학 근접장 전자 현미경이 포함됩니다. 

Juffmann 박사는 최근 몇 년 동안 현미경 및 천문학에서의 광학 기술이 공간 광 변조기 및 적응 광학과 같은 능동 구성 요소를 사용하여 광자를 조작하는 능력에서 큰 이점을 얻었다고 설명합니다. 전자 현미경은 다양한 샘플에 대해 고유한 고해상도 데이터를 제공할 수 있지만, 전자에 대한 스마트 제어 수준은 아직 동일하지 않습니다. 하지만 Juffmann 연구팀과 지겐 대학의 공동 연구자들이 최근에 발표한 연구 결과[1]에 따르면 이는 이미 가능하며, 수많은 과학 분야의 펄스 전자 현미경과 계측학에 잠재적으로 큰 영향을 미치고 있습니다. Juffmann이 인용한 잠재적 예로는, 위상 현미경 또는 응용 분야에서의 타이코그래피 기술의 대비 향상이 포함됩니다(예: 고체 물질의 상전이 관찰).

솔루션

Juffmann과 연구원들은 1933년 Kapitza와 Dirac[2]에 의해 처음 예측된 약한 산란 효과인 판드로모티브 효과를 이 목적에 활용하는 데 집중하기로 결정했습니다. 이 효과는 펄스 레이저[3]를 사용한 덕분에 1988년 Bucksbaum 등에 의해 처음으로 관측되었으며, 이후 Freimund 등에 의해 정상 광파[4]에서 전자 펄스의 회절을 보여주는 정밀한 실험에서 관측되었습니다. Juffmann의 팀은 이 기본적인 메커니즘을 활용하여 전례 없는 방식으로 전자빔을 조작하기 시작했습니다.

어떻게 작동할까요? 판드로모티브 힘은 강도가 균일하지 않은 광선과 같이 진동하는 전자기장에서의 전자의 움직임을 의미합니다. 이 힘에 의해 전자는 고강도 영역에서 벗어나 저강도 영역으로 들어가며, Juffmann은 빛으로 전자를 조작하는 방법을 제공할 수 있음을 알았습니다. 그러나 이는 매우 높은 광도를 필요로 하는 약한 효과이기도 합니다. 그래서 Juffmann 연구팀은 펨토초 레이저와 공간 광 변조기를 사용하여 강렬한 필드 패턴을 만들기 시작했습니다.

연구실에는 이러한 실험에 이상적인 광원으로 판명된 Monaco 1035 Ultrafast 레이저가 장착되어 있습니다. Juffmann은 다음과 같이 설명합니다. “짧은(<300fs) 펄스 폭과 높은(40μJ) 펄스 에너지의 조합은 현재 실험뿐만 아니라 향후 전자 패턴에 더 많은 픽셀이 포함된 설정에 충분한 피크 전력을 제공합니다. 그리고 1MHz 펄스 반복률은 짧은 데이터 수집 시간으로 변환됩니다.” Juffmann은 또한 연구실에서 지난 4년간 가동 중지 시간이 발생하지 않는 것의 장점으로 레이저의 신뢰성을 꼽았습니다.

결과

Juffmann의 설정에서 빔 스플리터는 레이저 강도의 몇 퍼센트만을 차지합니다. 이는 금속 팁에 초점을 맞춰 전자 버스트를 생성한 다음 조준된 빔으로 가속됩니다. 나머지 레이저 빔은 역 전파 배열에서 전자빔과 상호 작용하기 전에 공간 광 모듈에 의해 패턴화됩니다. 그림은 사실상 모든 기하 구조와 세부 사항에 대해 임의의 전자빔 형상을 만드는 이 접근법의 기능을 보여줍니다. 이는 “웃는 얼굴”을 포함한 다양한 패턴을 생성하도록 조작된 전자빔으로 조사된 형광체 스크린의 이미지를 보여줍니다. 

Juffmann은 다른 전자 조작 기술과 비교하여 이 새로운 방법은 프로그래밍이 가능하며 재료의 회절 요소의 저하로 인한 손실, 비탄성 산란 및 잠재적 불안정성을 방지한다는 점에 주목합니다. 결과적으로 미래의 전자 현미경에는 광학 조정이 포함될 수 있습니다. Juffmann 연구실의 박사과정 학생인 Marius Mihaila는 다음과 같이 말합니다. “우리의 성형 기술은 펄스 전자 현미경에서의 성공적인 수차 보정과 적응형 이미징을 가능하게 합니다. 연구 중인 표본에 현미경을 조정하여 감도를 극대화하는 데 사용할 수 있습니다.”

참고 문헌

1. MCC Mihaila et al, Transverse Electron-Beam Shaping with Light, Phys Rev. X 12, 031043 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.031043
2. P.L. Kapitza and P.A.M. Dirac, The reflection of electrons from standing light waves. Proc. Camb. Phil. Soc. 29, 297–300 (1933).
3. P.H. Bucksbaum et al, High intensity Kapitza–Dirac effect. Phys. Rev. Lett. 61, 1182–1185 (1988).
4. Freimund et. al, Observation of the Kapitza-Dirac effect, Nature, 413, 142-143 (2001). 

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