Snoende hvirvler af elektroner

I Jules Vernes berømte klassiker 20, 000 ligaer under havet , den ikoniske ubåd Nautilus forsvinder ind i Moskenstraumen, et massivt boblebad ud for Norges kyst. I rummet, stjerner spiraler rundt om sorte huller; på jorden, hvirvlende cykloner, tornadoer og støvdjævle river over landet.

Alle disse fænomener har en hvirvelform, som er almindeligt forekommende i naturen, fra galakser til mælk rørt ud i kaffe. I den subatomære verden, en strøm af elementære partikler eller energi vil spiralere rundt om en fast akse som spidsen af ​​en proptrækker. Når partikler bevæger sig sådan, de danner, hvad vi kalder "hvirvelbjælker." Disse stråler antyder, at partiklen har et veldefineret orbitalt vinkelmoment, som beskriver en partikels rotation omkring et fast punkt.

Dermed, hvirvelstråler kan give os nye måder at interagere med stof på, f.eks. øget følsomhed over for magnetiske felter i sensorer, eller generere nye absorptionskanaler for samspillet mellem stråling og væv i medicinske behandlinger (f.eks. strålebehandling). Men hvirvelstråler muliggør også nye kanaler i grundlæggende interaktioner mellem elementarpartikler, lovende ny indsigt i den indre struktur af partikler som neutroner, protoner eller ioner.

Stof udviser bølge-partikel dualitet. Det betyder, at forskere kan få massive partikler til at danne hvirvelstråler blot ved at modulere deres bølgefunktion. Dette kan gøres med en enhed kaldet en "passiv fase maske, " som kan opfattes som en stående forhindring i havet. Når bølger på havet slår ind i det, deres "bølge-hed" skifter, og de danner hvirvler. Fysikere har brugt den passive fasemaskemetode til at lave hvirvelstråler af elektroner og neutroner.

Men nu, forskere fra laboratoriet hos Fabrizio Carbone ved EPFL har vist, at det er muligt at bruge lys til dynamisk at vride en individuel elektrons bølgefunktion. De var i stand til at generere en ultrakort hvirvelelektronstråle og aktivt skifte dens vorticitet på attosekundet (10 ^-18 sekunder) tidsskala.

At gøre dette, holdet udnyttede en af ​​de grundlæggende regler for samspillet mellem partikler på nanoskalaniveau:energi- og momentumbevarelse. Hvad dette betyder er, at summen af ​​energierne, Masser og hastigheder af to partikler før og efter deres kollision skal være den samme. Denne begrænsning får en elektron til at få orbital vinkelmomentum under dens interaktion med et ad hoc forberedt lysfelt, dvs. en chiral plasmon.

I eksperimentelle termer, forskerne affyrede cirkulært polariseret, ultrakort laser pulserer gennem et nanohul i en metallisk film. Dette fremkaldte en stærk, lokaliseret elektromagnetisk felt (den chirale plasmon), og individuelle elektroner blev lavet til at interagere med det. Forskerne brugte et ultrahurtigt transmissionselektronmikroskop til at overvåge elektronernes resulterende faseprofiler. Det de opdagede var, at under elektronernes interaktion med feltet, elektronernes bølgefunktion antog en chiral modulation, en højre- eller venstrehåndsbevægelse, hvis "håndhed" aktivt kan styres ved at justere polariseringen af ​​laserimpulserne.

"Der er mange praktiske anvendelser fra disse eksperimenter, " siger Fabrizio Carbone. "Ultrahurtige hvirvelelektronstråler kan bruges til at kode og manipulere kvanteinformation; elektronernes orbitale vinkelmomentum kan overføres til magnetiske materialers spins for at styre den topologiske ladning i nye enheder til datalagring. Men endnu mere spændende, Brug af lys til dynamisk at vride stofbølger giver et nyt perspektiv til at forme protoner eller ionstråler som dem, der bruges i medicinsk terapi, muligvis muliggør nye interaktionsmekanismer mellem stråling og stof, der kan være meget nyttige til selektive vævsablationsteknikker."