光子具有固定的自旋和無(wú)界軌道角動(dòng)量(OAM)，前者表現(xiàn)為光的偏振，后者對(duì)應(yīng)于其波前的空間相位分布。光子自旋在光-物質(zhì)相互作用中決定電子運(yùn)動(dòng)的獨(dú)特方式，是眾多成熟光譜學(xué)的基礎(chǔ)。

相比之下，將OAM印在物質(zhì)波上，特別是在正在傳播的電子上，通常被認(rèn)為是非常具有挑戰(zhàn)性的，并且預(yù)期效果是無(wú)法檢測(cè)到的。科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種新方法使用光的漩渦，能夠觀察到以前看不見(jiàn)的電子量子態(tài)。

該方法是由哈雷-維滕貝格大學(xué)(MLU)的物理學(xué)家和一個(gè)國(guó)際研究小組共同開(kāi)發(fā)。有望為電子運(yùn)動(dòng)提供新的見(jiàn)解，這對(duì)于理解材料的屬性，如導(dǎo)電性、磁性和分子結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，自由電子激光費(fèi)米(Fermi)被用來(lái)提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)，其研究成果發(fā)表在《自然光子學(xué)》期刊上。光學(xué)顯微鏡讓世界第一次瞥見(jiàn)細(xì)菌和細(xì)胞微觀世界的科學(xué)儀器。哈雷-維滕貝格大學(xué)物理研究所Jonas W?tzel博士說(shuō)：

然而，光的波長(zhǎng)限制了光學(xué)顯微鏡分辨率，量子世界仍然是不可見(jiàn)的。在原子中，量子粒子的空間膨脹，如電子，比光的波長(zhǎng)小許多倍，這使得使用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡成像是不可能的。然而，光可以攜帶相當(dāng)數(shù)量的能量，當(dāng)光子的能量強(qiáng)到足以激發(fā)材料中的一個(gè)電子時(shí)，它被稱(chēng)為光電效應(yīng)。這一效應(yīng)是愛(ài)因斯坦預(yù)言的，分光計(jì)可以檢測(cè)發(fā)射的光電子性質(zhì)。光電子能譜是目前用于分析材料電子結(jié)構(gòu)的主要工具，許多量子態(tài)不會(huì)被光子激發(fā)，因此仍然是看不見(jiàn)的。

科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種為光電子提供更多信息的新方法，要做到這一點(diǎn)，物理學(xué)家們將傳統(tǒng)的激光束與光的漩渦結(jié)合起來(lái)，這就是所謂的光學(xué)漩渦。迫使光波進(jìn)入具有角動(dòng)量的螺旋路徑，當(dāng)它們與物質(zhì)相互作用時(shí)，電子被拋出，這種螺旋運(yùn)動(dòng)被傳輸。當(dāng)這與光譜學(xué)相結(jié)合時(shí)，可以檢測(cè)到材料以前不可見(jiàn)的屬性。光電子如何以及是否與扭曲的光波相互作用并開(kāi)始自轉(zhuǎn)，這在很大程度上取決于材料的性質(zhì)。

這項(xiàng)高度復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)是使用里雅斯特自由電子激光進(jìn)行的，理論預(yù)測(cè)和測(cè)量結(jié)果之間有很好的一致性。這種光譜學(xué)方法為深入了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與光的相互作用鋪平了道路。分子是什么樣子，無(wú)論是順時(shí)針還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，材料是導(dǎo)電還是有磁性，都取決于電子結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，這種方法可以普遍適用，并可以在從醫(yī)學(xué)到電子和材料科學(xué)的廣泛應(yīng)用中使用。

研究提供了結(jié)合電子對(duì)光依賴(lài)于OAM吸收的證據(jù)，試圖觀察依賴(lài)于OAM的二色性光電效應(yīng)，研究使用He原子的樣本。令人驚訝的是，發(fā)現(xiàn)光場(chǎng)OAM可以相干地印在傳播中的電子波上，其研究結(jié)成果揭示了光-物質(zhì)相互作用的新方面，并指出了一種新的單光子電子能譜。

博科園｜研究/來(lái)自：哈雷-維滕貝格大學(xué)

參考期刊《自然光子學(xué)》

DOI: 10.1038/s41566-020-0669-y

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普