一种在实验室环境中使自由电子极化的光学方法
发布时间：2023-06-05 08:00:00 阅读数： 21
资料来源：Pan和Xu
极化电子是指那些自旋具有 "优先 "方向或优先朝向某一特定方向的电子。这些电子的实现对物理学研究具有显著的意义，因为它可以为创造有前途的材料铺平道路，并能进行新的实验。
华东师范大学和河南省科学院的研究人员最近介绍了一种在实验室环境中使用近场光学技术对自由电子进行极化的新方法，这需要从靠近样品的光学设备中应用光束。他们的论文发表在《物理评论快报》上，可以为高能物理学、量子技术开发和材料科学带来有趣的新可能性。
"进行这项研究的研究人员之一Deng Pan告诉Phys.org说："两年前，当我在Francisco Javier Garcia de Abajo教授的小组做博士后研究时，这项研究的最初想法就已经扎根了，他们以电子束的光学激发的理论工作而闻名。"从那时起，光子诱导的近场电子显微镜（PINEM）领域获得了发展势头，成为电子显微镜领域的一个突出课题"。
PINEM是一种很有前途的显微镜技术，可以让研究人员操纵电子的量子特性，这有可能揭开依赖自由电子的新量子计算机制。以前的工作主要是试图用这种技术来操纵电子的轨道和动量。在他们的研究中，潘和他的同事徐红星着手探索其对自由电子进行极化的潜在用途。
"潘说："我开始质疑是否可以采用类似的方法来改变电子的自旋状态，甚至偏振电子束。潘说："在与几位电子束理论专家的讨论中，他们中的大多数人认为这样的效果是无法察觉的，因为电磁场中的磁场要比电场成分弱得多。因此，我的计算最终证明了光学近场内实质性的电子极化效应，这既令人惊讶又出乎意料。"
潘和徐介绍的光学方法从PINEM中获得了灵感，因为它是基于一种类似的方法。研究人员使用了一个具有精心设计的晶格常数的纳米线阵列（即一个周期性的纳米结构）。他们的设计确保了输入电子速度和结构之间的近场匹配，保证了它们之间的强烈互动。
"我的提议和PINEM方案之间有一个根本的区别，"潘解释说。"PINEM效应是由平行于电子束的电场分量引起的。相反，我们利用的是横向电（TE）近场，它只拥有垂直于电子束的电场。为什么我们选择了这种TE近场？答案是与纳米光子学中另一个迷人的话题密切相关，即光学近场中的横向自旋角动量或自旋轨道相互作用。"
研究人员应用的TE近场有一个圆极化的磁场。因此，它可以被用来操纵电子的自旋，就像其他场可以用来控制量子自旋一样。
"潘说："自旋电子束被证明是研究磁性材料和高能物理以及其他领域的一个宝贵工具。"我们的研究还揭示了这样一个认识，即尽管与电场成分相比较弱，但光学近场中的磁场成分可以被利用来实现不可预见的结果。"
Pan和Xu是第一批引入可靠的光学方法来在实验室环境中制备自旋电子的人之一。在未来，他们的方法可以被其他研究团队改编和使用，以创建自旋极化的电子束，同时也有可能激励开发新的量子计算方法，利用电子和光子的自旋。
"有了这项工作提供的方向，仍然有广泛的理论空间可以探索，例如结合电子和光子自旋的量子信息处理的潜力，"Pan补充说。"然而，我认为最关键的方面是对这项研究中概述的建议进行实验证明。我已经与几个实验者讨论了这项工作，他们对在实验中实现我们的结果的可行性表示乐观。"
参考资料：Deng Pan et al, Polarizing Free Electrons in Optical Near Fields, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.186901
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