Kierrevalo antaa elektroneille suunnan

(3.12.2024) Joint Quantum Instituten (JQI) tutkijat raportoivat tuloksista, jotka osoittavat, että valonsäde voi luotettavasti siirtää kiertoradan kulmamomenttia grafeenissa liikkuviin elektroneihin.

Valon ja aineen vuorovaikutustavan tiukka hallinta on olennainen vaatimus sovelluksissa, kuten kvanttilaskennassa tai kvanttitunnistuksessa. Erityisesti tutkijat ovat olleet kiinnostuneita elektronien houkuttelemisesta vastaamaan joihinkin eksoottisimpiin muotoihin, joita valonsäteet voivat omaksua.

Esimerkiksi valoa kantava kiertoradan kulmamomentti pyörii akselinsa ympäri kulkiessaan.

"Ratakulmamomenttia sisältävän valon vuorovaikutusta aineen kanssa on ajateltu jo 90-luvulta lähtien", sanoo Deric Session, JQI:n ja Marylandin yliopiston (UMD) tohtoritutkija, joka on uuden artikkelin johtava kirjoittaja. "Mutta on ollut hyvin vähän kokeita, jotka osoittavat siirron."

Osa haasteesta on ollut koon epäsuhta. Jotta elektronit voisivat tuntea momenttia kantavan valonsäteen vedätyksen, niiden on koettava tapa, jolla säde muuttuu sen kulkiessa. Esimerkiksi atomit ja niitä kiertävät elektronit – kvanttifysiikan kokeiden tukipylväät ja tarkan manipuloinnin suosikkikohteet – ovat noin 1000 kertaa pienempiä kuin valonsäteet, joita tutkijat käyttävät vuorovaikutuksessa niiden kanssa.

Vain fotonit, jotka kuljettavat tiettyjä määriä energiaa, voivat olla vuorovaikutuksessa atomien kanssa, ja näillä fotoneilla on yleensä paljon suurempi aallonpituus kuin itse atomeilla. Joten vaikka atomit kokonaisuutena absorboivat hyvin energiaa ja liikemäärää näistä fotoneista, aallonpituus on liian suuri, jotta atomin sisäiset osat - ydin ja elektronit - havaitsevat mitään suhteellista eroa. Tämä tekee erittäin vaikeaksi siirtää kiertoradan kulmamomenttia vain atomin elektroneihin.

Yksi tapa voittaa tämä vaikeus on kutistaa valon aallonpituutta. Mutta se lisää kunkin fotonin kuljettamaa energiaa sulkien pois atomit luotettavina kohteina.

Uudessa kokeessa tutkijat käyttivät vaihtoehtoista lähestymistapaa: Valon aallonpituuden pienentämisen sijaan he saivat elektronit ottamaan enemmän tilaa. Vaikka tutkijoiden erikoisjärjestelyin tuotetun kokeilun radat ovat tiukkoja, ne ovat silti paljon suurempia kuin atomien elektroniradat – täydellinen resepti saada ne havaitsemaan valoa kuljettavan kiertoradan kulmamomentti.

Kokeiden kaikissa tapauksissa signaali oli selkeä: Virta ilmestyi vain valon läsnäollessa, sen kantaessa kiertoradan kulmamomenttia, ja virran suunta korreloi sen kanssa, kantoiko valo myötä- vai vastapäivään pyörivää liikemäärää.

Mehrabad sanoo, että sen lisäksi, että työ osoittaa uuden menetelmän aineen ohjaamiseksi valolla, tekniikka saattaa myös mahdollistaa perustavanlaatuisen uuden elektronimittauksen kvanttimateriaalissa.

Erityisesti valmistettuja valonsäteitä yhdistettynä interferenssimittauksiin voitaisiin käyttää mikroskooppina, joka voi kuvata elektronien avaruudellisen laajuuden - suora mittaus materiaalissa olevien elektronien kvanttiluonteesta.

"Kysymys mitata näitä vapaiden elektronien avaruudellisia vapausasteita on tärkeä osa elektronien koherenssiominaisuuksien mittaamista ohjattavalla tavalla - ja niiden manipulointia", Mehrabad sanoo. "Et vain havaitse, vaan myös hallitset. Se on kuin kaiken tämän pyhä malja."

Aiheesta aiemmin:

Orbitroniikka: uusi energiatehokas tekniikka

Uusi vapausaste terahertsiviestinnälle