2019-05-07 19:55:01
扭曲电子漩涡

在Jules Verne着名的经典20,000海底联赛中,标志性潜艇Nautilus消失在Moskenstraumen,这是挪威海岸附近的一个巨大的漩涡。在太空中,恒星绕着黑洞旋转;在地球上,旋转的旋风,龙卷风和尘埃魔鬼撕裂了整个陆地。

所有这些现象都具有涡旋形状,这在自然界常见,从星系到牛奶搅拌成咖啡。在亚原子世界中,基本粒子或能量流将围绕固定轴旋转,如开瓶器的尖端。当粒子像这样移动时,它们就形成了我们所说的“涡旋光束”。这些光束意味着粒子具有明确定义的轨道角动量,其描述了粒子围绕固定点的旋转。

因此,涡旋光束可以为我们提供与物质相互作用的新方法,例如,增强了对传感器中磁场的敏感性,或者为医学治疗(例如放射治疗)中的辐射和组织之间的相互作用产生了新的吸收通道。但是,涡旋光束还能够在基本粒子之间的基本相互作用中实现新的通道,从而对诸如中子,质子或离子等粒子的内部结构提供新的见解。

物质展现了波粒二象性。这意味着科学家可以通过调制它们的波函数,使大质量粒子形成涡旋光束。这可以通过称为“被动相位掩模”的装置来完成,该装置可以被认为是海中的常备障碍物。当海浪在其中撞击时,它们的“波浪”会发生变化而形成漩涡。物理学家一直在使用被动相位掩模方法来制造电子和中子的涡旋光束。

但现在,来自EPFL的Fabrizio Carbone实验室的科学家已经证明,可以使用光来动态扭转单个电子的波函数。他们能够产生超短涡旋电子束并在阿秒(10-18秒)时间尺度上主动切换其涡度。

为此,该团队利用了一个控制纳米级粒子相互作用的基本规则:能量和动量守恒。这意味着两个粒子碰撞前后的能量,质量和速度之和必须相同。该约束导致电子在其与特制的光场(即手性等离子体)相互作用期间获得轨道角动量。

在实验方面,科学家们通过金属薄膜中的纳米孔发射出圆偏振的超短激光脉冲。这诱导了强烈的局部电磁场(手性等离子体),并且使各个电子与其相互作用。科学家使用超快透射电子显微镜监测电子的相位分布。他们发现的是,在电子与场的相互作用过程中,电子的波函数采取手性调制,右手或左手运动,其“手性”可以通过调整激光的极化来主动控制脉冲。

“这些实验有许多实际应用,”Fabrizio Carbone说。 “超快速涡旋电子束可用于编码和操纵量子信息;电子的轨道角动量可以转移到磁性材料的自旋,以控制新设备中的拓扑电荷,用于数据存储。但更有趣的是,使用光来动态扭转物质波为塑造质子或离子束提供了新的视角,例如医学治疗中使用的质子或离子束,可能使新的辐射 - 物质相互作用机制对选择性组织消融技术非常有用。“

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