洞察量子世界：科学家用“光旋涡”观察到看不见的电子量子态！

光子具有固定的自旋和无界轨道角动量(OAM)，前者表现为光的偏振，后者对应于其波前的空间相位分布。光子自旋在光-物质相互作用中决定电子运动的独特方式，是众多成熟光谱学的基础。相比之下，将OAM印在物质波上，特别是在正在传播的电子上，通常被认为是非常具有挑战性的，并且预期效果是无法检测到的。科学家开发出一种新方法使用光的漩涡，能够观察到以前看不见的电子量子态。

该方法是由哈雷-维滕贝格大学(MLU)的物理学家和一个国际研究小组共同开发。有望为电子运动提供新的见解，这对于理解材料的属性，如导电性、磁性和分子结构至关重要，自由电子激光费米(Fermi)被用来提供实验证据，其研究成果发表在《自然光子学》期刊上。光学显微镜让世界第一次瞥见细菌和细胞微观世界的科学仪器。哈雷-维滕贝格大学物理研究所Jonas Wätzel博士说：

然而，光的波长限制了光学显微镜分辨率，量子世界仍然是不可见的。在原子中，量子粒子的空间膨胀，如电子，比光的波长小许多倍，这使得使用传统光学显微镜成像是不可能的。然而，光可以携带相当数量的能量，当光子的能量强到足以激发材料中的一个电子时，它被称为光电效应。这一效应是爱因斯坦预言的，分光计可以检测发射的光电子性质。光电子能谱是目前用于分析材料电子结构的主要工具，许多量子态不会被光子激发，因此仍然是看不见的。

科学家开发了一种为光电子提供更多信息的新方法，要做到这一点，物理学家们将传统的激光束与光的漩涡结合起来，这就是所谓的光学漩涡。迫使光波进入具有角动量的螺旋路径，当它们与物质相互作用时，电子被抛出，这种螺旋运动被传输。当这与光谱学相结合时，可以检测到材料以前不可见的属性。光电子如何以及是否与扭曲的光波相互作用并开始自转，这在很大程度上取决于材料的性质。

这项高度复杂的实验是使用里雅斯特自由电子激光进行的，理论预测和测量结果之间有很好的一致性。这种光谱学方法为深入了解物质的结构及其与光的相互作用铺平了道路。分子是什么样子，无论是顺时针还是逆时针旋转，材料是导电还是有磁性，都取决于电子结构。实际上，这种方法可以普遍适用，并可以在从医学到电子和材料科学的广泛应用中使用。

研究提供了结合电子对光依赖于OAM吸收的证据，试图观察依赖于OAM的二色性光电效应，研究使用He原子的样本。令人惊讶的是，发现光场OAM可以相干地印在传播中的电子波上，其研究结成果揭示了光-物质相互作用的新方面，并指出了一种新的单光子电子能谱。

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博科园｜研究/来自：哈雷-维滕贝格大学

参考期刊《自然光子学》

DOI: 10.1038/s41566-020-0669-y

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