理研,電子らせん波の形状を初めて観測

理化学研究所(理研)の研究グループは,電子線ホログラフィーの技術を用いて,電子波の等位相面(波面)がらせん形状を成す「電子らせん波」の形状を観測することに成功した(ニュースリリース)。

光波など伝搬する波動の位相は,一般には一意に決定される。このとき,等位相面の形状により,波は平面波,球面波などに分類される。一方,等位相面に特異点がある場合,位相が一意に決定されない波が存在する。その代表が「らせん波」となる。らせん波は,その名の通り特異点を軸としたらせん形状の波面を持つ。

電子線で作られるらせん波である「電子らせん波」をプローブとして用いることにより,荷電粒子線装置の新しい応用分野が開拓されると期待されている。

例えば,磁気構造の観察において,従来の電子線では電子線に平行な磁束は検出できないが,電子らせん波では軌道角運動量による磁束の検出が期待されているという。さらに,微細加工や磁化制御への応用にも,その可能性が検討されている。

今回,研究グループは,電子波が「刃状転位格子」とその周辺部を透過できる半透明膜を用いたらせん波生成法を採用した。これにより,従来は回折パターンとして強度像のみを得ていたらせん波を,格子周辺を透過した電子波との干渉パターン(ホログラム)として記録し,そのホログラムから電子らせん波の振幅分布と位相分布の再生に成功した。

その結果,電子らせん波は伝搬方向に方位回転を伴って伝搬していることを確認した。これまで,電子らせん波の強度分布が空間的にねじれていることは,回折パターンの計測から知られていたが,振幅分布と位相分布がそれぞれ伝搬方向にねじれていることが確認されたのは初めてとなる。

この研究成果は,材料特性・構造解析・加工法に新たな可能性をもたらすと期待されている電子らせん波の物性を明らかにするもので,次世代の荷電粒子線装置の開発に貢献するとしている。

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