光がつくる電子のレンズ 原子ひとつまで分解する電子顕微鏡の実現に向けた新技術を提案

光がつくる電子のレンズ原子ひとつまで分解する電子顕微鏡の実現に向けた新技術を提案

2022年4月11日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物質科学研究所助教上杉祐貴

【発表のポイント】

光ビームが电子顕微镜の探针として用いる电子ビームを绞りこむ「光场电子レンズ」として机能することを几何光学^※1にもとづいて示した
このレンズが电场や磁场を用いる従来のレンズでは実现できない「负の球面収差^※2」を発生することを示した
光场电子レンズを用いることで将来的に原子分解性能をもった电子顕微镜を広く普及できると期待される

【概要】

電子顕微鏡は、ウイルスなどの微小物、半導体デバイスの微細構造、さらには物質の原子配列をも可視化できる観察ツールです。こうした高い分解能を達成するには、探針となる電子ビームを、原子ひとつの大きさに匹敵する0.1 nm（1 nm = 10億分の1 m）以下にまで絞りこむ必要があります。东北大学多元物質科学研究所の上杉祐貴助教らの研究グループは、これまで電場や磁場で構成されていた、電子ビーム集束用のレンズを、レーザーなどの強力な光ビームによる「光場」で実現する、新しい手法を発案しました。

この「光场电子レンズ」に対して、几何光学にもとづいた理论的な解析により、焦点距离や球面収差を导くための重要な基础となる公式を整备しました。これにより、谁でも容易に光场电子レンズを设计することが可能になります。また、光场电子レンズが従来のレンズでは実现できない「负」の球面収差を発生し、极小の电子ビームサイズを得るのに必要な、収差补正器としても利用できることを示しました。构造が复雑で高価な従来の磁场を用いる収差补正装置を光场电子レンズで置き换えることで、高分解能の电子顕微镜装置を広く普及できると期待されます。

本成果は、英国時間の4月7日（木）付で、英国物理学会（Institute of Physics: IOP）の出版部門が提供する学術雑誌「Journal of Optics」誌において、新進気鋭の若手研究者を特集する「Emerging Leaders Collection」に掲載されました。

図1. z轴方向（左図では手前侧から奥侧）に进む电子ビームと同轴上に、ドーナツ状の强度分布をもつ光ビームを集光すると、ビーム轴方向に集束する向き（右図において赤い矢印で示す向き）に、电子は光场からポンデロモーティブ力を受ける。この结果、电子ビームに対して光场がレンズとして机能する。

【用语解説】

※1．几何光学
カメラレンズや天体望远镜などの设计のほか、电子顕微镜レンズの设计にも用いられる光学理论の体系。

※2．球面収差
理想的なレンズから射出された光线（または电子轨跡）は、光轴上の焦点位置にすべて集束する。しかし、现実には光线の集束角に応じてずれが生じ、これを球面収差という。従来の电子顕微镜用のレンズでは、集束角が大きいほど、电子は焦点位置よりも近い位置で光轴と交差する「正」の球面収差が生じる。また、球面収差は収束角の奇数乗に比例する成分で构成され、対応する係数をそれぞれ3次、5次...、の球面収差係数と呼ぶ。

详细（プレスリリース本文）