Nuovi metodi per la manipolazione e la caratterizzazione della fase nel microscopio elettronico in trasmissione

La funzione d’onda degli elettroni in un microscopio elettronico è molto simile a quella di fotoni in un raggio laser. Non sorprende quindi che, fin dallo sviluppo dell’olografia elettronica, il microscopio elettronico in trasmissione (TEM) si sia affermato come il banco elettroottico più adatto per lo studio e la manipolazione dell’informazione della fase delle onde elettroniche. Più di recente, tecniche basate sulla nanofabbricazione di maschere di fase, quali l’olografia elettronica sintetica e la strutturazione di fasci elettronici, hanno offerto metodi versatili per un controllo più preciso della fase del fascio elettronico. In particolare, tra i risultati della strutturazione di fasci elettronici, i vortici elettronici, ossia fasci che trasportano quanti di momento angolare orbitale (OAM), sono di grande interesse in quanto sono caratterizzati da un momento magnetico e hanno potenziali applicazioni nella rivelazione di campi magnetici. Allo stesso tempo, le tecniche di strutturazione di fasci elettronici possono anche essere utilizzate per misurare lo spettro dell’OAM di un fascio arbitrario. Lo scopo di questo lavoro è quello di esplorare le potenzialità della strutturazione olografica di fasci elettronici e di fornire nuovi strumenti per il controllo dell’informazione della fase di un fascio elettronico, così da espandere ulteriormente il campo di informazioni che un TEM è in grado di estrarre da un campione. Nella mia tesi ho esplorato le capacità del fascio ionico focalizzato (FIB) per la fabbricazione di ologrammi, ossia maschere di fase, con particolare attenzione ai parametri di fabbricazione e alla loro ottimizzazione per ottenere maschere di fase efficienti in grado di strutturare l’informazione di intensità e fase di un fascio elettronico a seconda di specifiche necessità. Nella prima parte di questa tesi, ho presentato la letteratura del campo della strutturazione di fasci elettronici, con riferimento ai principali risultati teorici e sperimentali fino allo stato dell’arte attuale. In questa parte, ho anche spiegato tutte le procedure sperimentali che ho utilizzato riguardo il TEM e il FIB, e presentato risultati preliminari per la loro ottimizzazione. Nella seconda parte, ho presentato I miei risultati di ricerca originali. Nel primo articolo presentato, ho usato tecniche di misura convenzionali come la microscopia di Lorentz e l’olografia elettronica fuori asse per analizzare nanostrutture magnetiche. Quindi, nel secondo lavoro, ho esplorato i parametri di fabbricazione del FIB che migliorano la qualità di fabbricazione delle maschere di fase. Negli articoli successivi sono presentate diverse applicazioni delle maschere di fase nanofabbricate, in cui ho svolto la fabbricazione al FIB e parte del lavoro sperimentale al TEM. Queste applicazioni includono: 1) fabbricazione di un correttore olografico per l’aberrazione sferica della lente principale nel TEM a scansione, 2) generazione di modi gaussiani di ordine superiore (ad esempio, fasci di Laguerre-Gauss), 3) generazione di fasci elettronici caratterizzati da grande OAM, 4) la creazione di una nuova idea di olografia in diffrazione per il recupero dell’informazione di fase nel piano di diffrazione, 5) la creazione di uno spettrometro di OAM per la misura della decomposizione in OAM del fascio elettronico, e 6) l’osservazione di campi magnetici alla nanoscala mediante fasci aventi OAM.