在儒勒·凡爾納著名的經典作品《海底兩萬裡》中，標誌性的諾第留斯號潛艇消失在莫斯科海峽中，這是挪威海岸的一個巨大漩渦。在太空中，恆星繞著黑洞旋轉；在地球上，旋風、龍捲風和塵暴肆虐大地。從星繫到攪拌成咖啡的牛奶，所有這些現象都有一個漩渦形狀，這在自然界中很常見。在亞原子世界裡，基本粒子或能量流會像開塞鑽的尖端一樣繞著一個固定的軸旋轉。當粒子像這樣運動時，它們會形成我們所說的「渦旋光束」。
這些光束意味著粒子有一個明確的軌道角動量，它描述了一個粒子圍繞一個定點的旋轉。因此，渦旋光束可以為我們提供與物質相互作用的新途徑，例如增強傳感器對磁場的敏感度，或者在醫療治療(例如放射治療)中為輻射與組織的相互作用生成新的吸收通道。
但渦旋光束也能在基本粒子間的基本相互作用中形成新通道，有望對中子、質子或離子等粒子內部結構提供新的洞見。物質表現出波粒二象性，這意味著，科學家可以通過簡單地調節粒子的波函數，使大質量粒子形成渦旋光束。
這可以通過一種叫做「被動相位掩模」的設備來實現，它可以被認為是海洋中的一個固定障礙物。當海上的波浪撞擊它時，它們的「波性」會發生變化，形成漩渦。物理學家們一直在使用無源相位掩模法來製造電子和中子的渦旋光束。但是現在，來自EPFL的Fabrizio Carbone實驗室科學家已經證明：利用光來動態扭曲單個電子波函數是可能的，能夠產生超短渦旋電子束，並在阿秒(10^-18秒)的時間尺度上主動改變其渦度。
為了做到這一點，研究小組利用了納米尺度上控制粒子相互作用的基本規則之一：能量和動量守恆。這意味著兩個粒子碰撞前後的能量、質量和速度之和必須相同。這一約束使得電子在與特定的光場(即手性等離子體)相互作用時獲得軌道角動量。在實驗中，科學家們通過金屬薄膜上的納米孔發射了圓偏振超短雷射脈衝。這就產生了一個強的局域電磁場(手性等離子體)，單個電子與之相互作用。科學家們使用超快透射電子顯微鏡來監測電子的相分布。
在電子與電場的相互作用過程中，電子的波函數呈現出手性調製，即通過調節雷射脈衝的偏振，可以主動地控制電子的「利手性」。這些實驗有許多實際應用，超快渦旋電子束可以用來編碼和操縱量子信息；電子軌道角動量可以轉移到磁性材料的自旋上，從而控制用於數據存儲的新器件拓撲電荷。但更有趣的是，利用光來動態扭曲物質波，在塑造質子或離子束方面提供了一個新視角，比如那些用於醫學治療的質子或離子束，這可能使新的放射-物質相互作用機製成為可能，對選擇性組織消融技術非常有用。
博科園｜研究/來自: 聯邦洛桑理工學院
參考期刊《Nature Materials》
DOI: 10.1038/s41563-019-0336-1
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