洞察量子世界:科學家用「光旋渦」觀察到看不見的電子量子態!

2020-11-24 騰訊網

光子具有固定的自旋和無界軌道角動量(OAM)，前者表現為光的偏振，後者對應於其波前的空間相位分布。光子自旋在光-物質相互作用中決定電子運動的獨特方式，是眾多成熟光譜學的基礎。相比之下，將OAM印在物質波上，特別是在正在傳播的電子上，通常被認為是非常具有挑戰性的，並且預期效果是無法檢測到的。科學家開發出一種新方法使用光的漩渦，能夠觀察到以前看不見的電子量子態。

該方法是由哈雷-維滕貝格大學(MLU)的物理學家和一個國際研究小組共同開發。有望為電子運動提供新的見解，這對於理解材料的屬性，如導電性、磁性和分子結構至關重要，自由電子雷射費米(Fermi)被用來提供實驗證據，其研究成果發表在《自然光子學》期刊上。光學顯微鏡讓世界第一次瞥見細菌和細胞微觀世界的科學儀器。哈雷-維滕貝格大學物理研究所Jonas W tzel博士說：

然而，光的波長限制了光學顯微鏡解析度，量子世界仍然是不可見的。在原子中，量子粒子的空間膨脹，如電子，比光的波長小許多倍，這使得使用傳統光學顯微鏡成像是不可能的。然而，光可以攜帶相當數量的能量，當光子的能量強到足以激發材料中的一個電子時，它被稱為光電效應。這一效應是愛因斯坦預言的，分光計可以檢測發射的光電子性質。光電子能譜是目前用於分析材料電子結構的主要工具，許多量子態不會被光子激發，因此仍然是看不見的。

科學家開發了一種為光電子提供更多信息的新方法，要做到這一點，物理學家們將傳統的雷射束與光的漩渦結合起來，這就是所謂的光學漩渦。迫使光波進入具有角動量的螺旋路徑，當它們與物質相互作用時，電子被拋出，這種螺旋運動被傳輸。當這與光譜學相結合時，可以檢測到材料以前不可見的屬性。光電子如何以及是否與扭曲的光波相互作用並開始自轉，這在很大程度上取決於材料的性質。

這項高度複雜的實驗是使用裡雅斯特自由電子雷射進行的，理論預測和測量結果之間有很好的一致性。這種光譜學方法為深入了解物質的結構及其與光的相互作用鋪平了道路。分子是什麼樣子，無論是順時針還是逆時針旋轉，材料是導電還是有磁性，都取決於電子結構。實際上，這種方法可以普遍適用，並可以在從醫學到電子和材料科學的廣泛應用中使用。

研究提供了結合電子對光依賴於OAM吸收的證據，試圖觀察依賴於OAM的二色性光電效應，研究使用He原子的樣本。令人驚訝的是，發現光場OAM可以相干地印在傳播中的電子波上，其研究結成果揭示了光-物質相互作用的新方面，並指出了一種新的單光子電子能譜。

博科園｜研究/來自：哈雷-維滕貝格大學

參考期刊《自然光子學》

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