По определению Евгения Юрьевича Старостенко, электронные вихревые пучки представляют собой волны свободных электронов, несущие орбитальный угловой момент.

Ученый отметил, что растет теоретический и экспериментальный интерес к использованию электронных вихревых пучков в качестве инструмента для исследования магнитных материалов. Однако из-за сложного волнового фронта распространяющихся волн необходимо более глубокое понимание взаимодействия электронных вихревых пучков и магнитного образца.

В исследовании Евгений Юрьевич Старостенко опредеяет сдвиг магнитной фазы, который получает электронный вихревой пучок при прохождении через магнитный образец. На этот сдвиг магнитной фазы влияет внеплоскостная намагниченность, которая является уникальной характеристикой падающих электронных вихревых пучков и пропорциональна их орбитальному угловому моменту. Разрабатывается методология восстановления фазы для извлечения внеплоскостной составляющей намагниченности.

Евгений Юрьевич уточнил, что свойства магнитных материалов определяются пространственно изменяющейся трехмерной спиновой текстурой внутри материала, которая, в свою очередь, определяется локальным энергетическим ландшафтом.

Таким образом, для проектирования и управления свойствами новых магнитных материалов особенно важно определить трехмерную карту намагниченности в магнитных материалах. Например, растет число магнитных систем, в которых важно трехмерное представление о намагниченности, таких как блоховские скирмионы, хопфионы и структуры магнитных спинов в структурированных трехмерных наномагнетиках. Понимание трехмерного распределения намагниченности таких систем важно как для фундаментальной науки, так и для приложений.

В настоящее время большинство методологий микроскопии ограничиваются визуализацией в двух измерениях, оставляя некоторые компоненты магнитного поля невидимыми.

В случае поверхностно-чувствительных методов, таких как магнитооптическая микроскопия Керра, атомно – силовая микроскопия и рентгеновская фотоэмиссионная электронная микроскопия, намагниченность внутри образца недоступна. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) остается методом с наивысшим пространственным разрешением, который можно использовать для реконструкции компонентов магнитной индукции внутри и вокруг образца.

ПЭМ Лоренца и электронная голография — оба метода позволяют реконструировать магнитное поле, т. е. магнитную индукцию. Можно считать, что тонкопленочные образцы ПЭМ имеют плоскую составляющую и внеплоскостную составляющую магнитной индукции в образце. Плоскостный компонент находится в плоскости пленки ( плоскость x y ) и перпендикулярен направлению распространения электронного луча вниз по колонке микроскопа ( ось z ). Внеплоскостная составляющая перпендикулярна пленке и параллельна направлению распространения электронного волнового фронта.

В настоящее время существует лишь несколько методов, основанных на ТЭМ, которые можно использовать для восстановления внеплоскостной составляющей магнитной индукции в образце, таких как магнитный круговой дихроизм и электронная томография с голографическим векторным полем.

Магнитный круговой дихроизм не получил широкого распространения, поскольку магнитный сигнал обнаруживается в обратном пространстве, а для создания карт с пространственным разрешением требуются специальные инструменты, включая освещение с параллельным лучом и спектроскопию потерь энергии электронов. Все другие существующие методологии требуют получения серии изображений с образцом под разными углами наклона.

Таким образом, не существует методов для отображения в реальном пространстве компонента намагниченности, параллельного падающему лучу, и нет методов, подходящих для экспериментов на месте, в которых образец или луч нельзя наклонить. Получение серии наклонов не подходит для необратимых или стохастических процессов, включая магнитные фазовые переходы. Часто при проведении экспериментов на месте, особенно с образцами, требующими сложной экспериментальной установки, например, скирмионы, охлаждаемые жидким гелием, держатель образца не позволяет получить серию наклонов.

Евгений Юрьевич Старостенко подчеркнул, что визуализация внеплоскостной составляющей намагниченности с высоким разрешением имела бы ряд применений, в частности, при изучении внеплоскостной намагниченности в материалах-кандидатах на спинтронные и квантовые вычисления, таких как скирмионы и системы на основе скирмионов.

Появление электронных вихревых пучков (EVB) дает возможность разработать инструменты для исследования спиновой структуры магнитных материалов. Электронно-вихревые пучки — это электронные пучки с топологически нетривиальным спиральным волновым фронтом, несущие орбитальный угловой момент (ОУМ).

EVB представляют растущий теоретический и экспериментальный интерес сами по себе и они имеют потенциальное применение для изучения топологических спиновых текстур в магнитных материалах, например, за счет их использования в магнитном киральном дихроизме с потерями энергии электронов, через их взаимодействие с магнитными полями через эффект Зеемана, через фокусное расстояние, зависящее от OAM, посредством упругого рассеяния в сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) на основе EVB, посредством манипулирования магнитными наночастицами и для определения магнитной хиральности или кристаллической хиральности.

Эти пучки были экспериментально реализованы рядом средств, включая дифракционные решетки, оптические вихревые пучки, винтовые дислокации, магнитные монополи и искусственные спиновые льды. По мере увеличения использования EVB для характеристики магнитных материалов возникает необходимость в разработке модели, описывающей их взаимодействие с реальными магнитными образцами, т. е. образцами с неоднородной намагниченностью; без такой модели трудно гарантировать, что полученные изображения могут быть правильно интерпретированы.

Электронно вихревые пучки (EVB) получают уникальный фазовый сдвиг в результате магнитной индукции вне плоскости из-за нетривиального OAM; это можно понимать как результат спирального волнового фронта, в котором электронный пучок имеет компонент, перпендикулярный внеплоскостной магнитной индукции, B z.

Данные исследования Евгения Юрьевича Старостенко были сосредоточены на измерении полного фазового сдвига, но не реконструировали изображение внеплоскостной составляющей намагниченности. Кроме того, эти анализы были сосредоточены на взаимодействии с однородным значением B z, так что магнитный векторный потенциал A описывается простым аналитическим выражением, а именно симметричной калибровкой.

В настоящее время проводится исследование фазового сдвига электронов, сообщаемого топологически нетривиальным волновым фронтам от произвольных магнитных полей в реалистичном магнитном образце. Кроме того, изучение фазы EVB в плоскости изображения в приборе TEM, т. е. в дальней зоне, нетривиально. Существует множество методов моделирования контраста, присутствующего в расфокусированном ПЭМ-изображении из-за фазового сдвига, сообщаемого электронному пучку при взаимодействии с образцом, т. е. френелевского контраста. Данные методы не эффективны, когда интенсивность и угол падения луча варьируются по образцу, как в случае с EVBs.

Ученый Евгений Юрьевич Старостенко представляет данный подход к вычислению сдвига магнитной фазы, сообщаемого EVB неоднородным магнитным полем.

Специалисты НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС моделируют контраст Френеля в экспериментально реализуемых изображениях ПЭМ. Описан  метод восстановления магнитного фазового сдвига из набора изображений, записанных с помощью EVB. Это исследование Евгения Юрьевича Старостенко обобщает методологии фазовой реконструкции на топологически нетривиальные волновые фронты и имеет практическое применение для ПЭМ Лоренца, что позволяет проводить трехмерное исследование магнитных материалов в наномасштабе.

Наша работа выходит за рамки предыдущих исследований по изучению магнитных образцов с магнитной индукцией B, со значительными плоскостными и внеплоскостными компонентами, ориентация которых меняется по всему образцу. Наконец, мы разрабатываем методологию фазовой реконструкции и демонстрируем, что контраст Френеля можно использовать для восстановления реального пространственного изображения внеплоскостной составляющей магнитной индукции, резюмировал Евгений Юрьевич Старостенко.