“咬尾蛇”：洞察量子世界的光学涡旋

原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#涡旋光6个

在中学物理的课本中，有这样的一幅“咬尾蛇”图片，这是科学界一副非常有名的图片，而为什么是蛇的图样，这主要是与神话传说和图腾有关。图中蛇头代表宇宙，顺着蛇身向后，依次代表尺寸逐渐变小的星系、恒星、行星、生命体、DNA、原子、基本粒子等。而蛇头咬着蛇尾是因为最大尺度的宇宙和最小尺度的基本粒子之间存在着很多共性。在科学发展的过程中，人们要探索宇宙的奥秘以及观察最小基本粒子的规律，就需要一定的工具或者说是手段。

图1 物质规律图

图源：初中物理课本扉页上的插图

光学显微镜的发明让世界第一次看到了细菌和细胞的微观世界。然而，光的波长限制了光学显微镜的分辨率。而在原子的世界中，基本粒子(比如电子)的空间尺寸比光的波长要小很多倍，这使得使用传统光学显微镜来观察更小的微观粒子变的不在可能。所以说，“微观世界对我们仍然是不可见的。”

图源：VEER

后来科学家又发明了电子显微镜（EM），从而将光学显微镜的分辨率极限从0.2微米提升到了0.2纳米，提升了1000倍。虽然电镜已经相当优秀了，但是它也只能观测微观结构的表面形貌。在后来伴随着量子力学的发展，科学家们又提出了扫描隧道显微镜（STM），使可观测分辨率到达了0.01纳米并且可操控单个原子。

但无论怎样，我们回过头来想想，他们都似乎都只能观测微观世界的静态表面信息，而科学们都知道微观世界的物理过程或者化学反应都是动态变化的。例如：化学反应在其最基本的水平上，是由它们各自的电子结构和动力学决定。物质在光照射等刺激的作用下，电子在得以在微观世界重新排列。而这整个过程只需要几百阿秒（1阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一秒）。

图2 光气（CoCl2）与硅酸钠的超快反应

图源：BeautifulChemistry

正是由于这样的需求，科学家们又提出泵浦探测技术，以期望能观测到原子内部动力学过程以及更多的量子状态信息。泵浦探测技术的起源来自爱因斯坦提出的光电效应。“当光电子的能量强大到足以将一个电子从物质中可激发出来的现象，称为光电效应。”现在又随着激光技术的快速发展，飞秒甚至是阿秒泵浦探测技术也在如火如荼的开展着。而后在利用光谱计就可以探测发射的光电子的性质。光电子能谱是目前用于分析材料电子结构的主要工具。但是，科学家们发现在微观世界里“许多量子状态并不都是由光子激发的，因此它们的属性仍然是不可见的。”此时，又该怎么办呢？

近日，一种新的方法被提出即：利用光漩涡的手性特性（

）可使研究人员能够观察到以前电子量子态所观测不到的现象。该方法是斯洛文尼亚的物理学家Giovanni De Ninno和所在的国际研究团队开发。这种方法有望为电子运动提供新的探测手段，而电子运动对于理解材料的电导率、磁性和分子结构等特性至关重要。例如：绘制病毒原子的详细结构、解密细胞分子的构成、拍摄纳米世界的三维图像等。同时，欧洲（意大利）费米X射线自由电子激光被用来进行了实验证明。该成果以“Photoelectric effect with a twist”为题发表在Nature Photonics。

图3 具有光涡旋轨道角动量依赖性的光电子实验验证装置

图源：Nat. Photonics 14, 554–558 (2020)

为了做到将轨道角动量的特性赋予到微观粒子，物理学家们将传统的激光束(XUV)与光漩涡(Vortex IR)结合了起来。这迫使光波以轨道角动量形式进入螺旋路径。当它们与物质相互作用时，电子被激发出去，这种螺旋运动的属性就会被传递到被激发出来的粒子上。再将这种被激发出来的物质与光谱学结合起来时，就可以探测到这种物质以前不可见的特性。例如：光电子如何以及是否与扭曲的光波相互作用并开始轨道旋转，这些特性很大程度上都取决于材料本身的性质。

其研究理论预测和测量结果非常一致，这种新的光谱学方法为洞察物质结构及其与光的相互作用铺平了道路。例如：分子是什么样子的，是顺时针旋转还是逆时针旋转；材料是导电还是磁性的，都取决于电子结构。同时，这种方法也可以被广泛应用于医学、电子和材料科学等领域。

文章信息

De Ninno, G., Wätzel, J., Ribič, P.R. et al. Photoelectric effect with a twist. Nat. Photonics 14, 554–558 (2020).

论文地址

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0669-y

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