Ricercatori Cnr generano un fascio di elettroni ad alto momento angolare orbitale e potenzialmente adatto per studiare a scala atomica il magnetismo dei materiali

Ai fisici e’ noto che fasci di luce che hanno fronte d’onda a forma di cavatappi, possiedono anche un momento angolare orbitale, e che di recente si e’ dimostrato un effetto simile in fasci di elettroni. Ora un team di ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Cnr, in collaborazione con Universita di Ottawa e di Modena e Reggio Emilia, ha realizzato intensi fasci di elettroni con momento angolare centinaia di volte maggiore dello spin dell’elettrone, che potranno essere utilizzati sia per studi fondamentali che per sondare le proprieta dei materiali magnetici. Il risultato e’ pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

Un fascio di luce ordinario come quello di un puntatore laser, si propaga con fronti d’onda che sono piani paralleli. Ma in un cosiddetto fascio a vortice il fronte d’onda forma una superficie “a cavatappi”, e il fascio possiede un momento angolare orbitale, ossia un momento rotazionale attorno all’asse dell’elica. Piu’ piccolo e’ il passo l’elica, maggior e’ il momento. Per anni i fisici hanno usato il momento angolare della luce per generare movimento, ad esempio per imprimere una rotazione alle nanoparticelle.

Sfruttando gli elettroni, che hanno proprieta simili a quelle della luce, sono stati prodotti di recente fasci di elettroni con momento angolare orbitale. Ma fino a ora e’ stato difficile ottenere con gli elettroni alti valori del momento angolare. Ora Vincenzo Grillo, Gian Carlo Gazzadi e Stefano Frabboni di CnrNano e Universita di Modena e Reggio Emilia, in collaborazione con Ebrahim Karimi e Robert Boyd dell’Universita di Ottawa, hanno creato intensi fasci di elettroni “elicoidali” con elevato momento angolare.

Per produrre fronti d’onda elicoidali, i ricercatori hanno usato complicati reticoli di diffrazione. “A differenza dei reticoli di diffrazione standard abbiamo usato reticoli che presentano fessure leggermente spostate nel piano tra una regione e la vicina”, spiega Vincenzo Grillo, “Questi piccoli spostamenti influenzano la sincronizzazione della luce uscente dalle diverse regioni. Ogni regione isolata produrrebbe fronti d’onda piani, ma la loro combinazione da luogo a un fascio con momento angolare orbitale”. “Per ottenere pero’ un alto momento angolare orbitale senza ridurre l’intensita del fascio, abbiamo poi costruito un reticolo ancora piu’ elaborato, in cui le sezioni trasversali delle fenditure hanno un profilo sinusoidale”, conclude il ricercatore.

Le misurazioni del fascio diffratto confermano che gli elettroni hanno momenti angolari pari al doppio del massimo valore mai raggiunto finora, e un fascio 30 volte piu’ intenso del precedente. I ricercatori vorrebbero utilizzare questi fasci e il campo magnetico che possiedono per studiare il magnetismo su scala atomica in materiali come quelli usati nei dischi rigidi. Infatti poiche’ il fascio e’ carico elettricamente, il momento angolare orbitale genera un campo magnetico parallelo alla direzione di propagazione. “Un microscopio elettronico che utilizzasse tali fasci potrebbe mappare la magnetizzazione alla nanoscala dei materiali”, spiega Stefano Frabboni, “e quando un fascio con elevato momento magnetico transita in un materiale si potrebbe potenzialmente rilevare l’equivalente ottico del “boato sonico” che si ottiene quando si supera la “barriera del suono”.

Riferimenti: Per informazioni:Maddalena Scandola – Ufficio Comunicazione CnrNano, email: [email protected] – www.nano.cnr.it

Holographic Generation of Highly Twisted Electron BeamsV. Grillo, GC Gazzadi, E Mafakheri, S Frabboni, E Karimi, and R. W. BoydPhys. Rev. Lett. 114, 034801 (2015)http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.114.034801http://physics.aps.org/articles/v8/7

Allegati:Giravolta di elettroni: il fascio che attraversa la membrana appositamente ondulata viene diffratto in un fascio con elevato momento angolare orario e antiorario (Ufficio stampa CNR)