Schematyczne przedstawienie układu eksperymentalnego użytego do kształtowania elektronów w chiralne cewki o masie i ładunku. Źródło: dr Yiqi Fang, Uniwersytet w Konstancji, pod red
Fizycy z Uniwersytetu w Konstancji odkryli sposób na odciśnięcie wcześniej niewidzianej geometrycznej formy chiralności na elektronach za pomocą światła lasera, tworząc chiralne cewki masy i ładunku.
Ten przełom w manipulowaniu chiralnością elektronów ma ogromne implikacje dla optyki kwantowej, fizyki cząstek i mikroskopii elektronowej, torując drogę nowym odkryciom naukowym i innowacjom technologicznym.
Zrozumienie chiralności i jej implikacji
Czy kiedykolwiek położyłeś dłoń prawej ręki na grzbiecie lewej ręki w taki sposób, że wszystkie palce były skierowane w tym samym kierunku? Jeśli tak, to prawdopodobnie wiesz, że Twój prawy kciuk nie dotknie lewego odpowiednika. Ani obroty, ani tłumaczenia, ani ich kombinacje nie są w stanie zamienić lewej ręki w prawą i odwrotnie. Ta cecha nazywa się chiralnością.
Naukowcom z Uniwersytetu w Konstancji udało się obecnie wdrukować taką trójwymiarową chiralność w funkcję falową pojedynczego elektronu. Wykorzystali światło lasera do ukształtowania fali materii elektronu w lewoskrętne lub prawoskrętne cewki o masie i ładunku. Takie skonstruowane cząstki elementarne o geometrii chiralnej innej niż ich wewnętrzny spin mają wpływ na fizykę podstawową, ale mogą być również przydatne w szeregu zastosowań, takich jak optyka kwantowa, fizyka cząstek czy mikroskopia elektronowa.
„Otwieramy nowe potencjały badań naukowych, które nie były wcześniej brane pod uwagę” – mówi Peter Baum, autor korespondent z badania i kierownik grupy badawczej Światło i Materia na Uniwersytecie w Konstancji.
Chiralność Pojedynczy Cząstki i kompozyty
Obiekty chiralne odgrywają kluczową rolę w przyrodzie i technologii. W dziedzinie cząstek elementarnych jednym z najważniejszych zjawisk chiralnych jest spin, który często porównuje się do samorotacji cząstki, ale w rzeczywistości jest to właściwość czysto kwantowo-mechaniczna, nieposiadająca klasycznego odpowiednika. Na przykład elektron ma spin równy połowie i dlatego często występuje w dwóch stanach potencjalnych: prawoskrętnym i lewoskrętnym. Z tego podstawowego aspektu mechaniki kwantowej wynika wiele ważnych zjawisk w świecie rzeczywistym, takich jak prawie wszystkie zjawiska magnetyczne czy układ okresowy pierwiastków. Spin elektronów ma również kluczowe znaczenie dla rozwoju zaawansowanych technologii, takich jak komputery kwantowe czy nadprzewodniki.
Istnieją jednak również złożone obiekty chiralne, w których żaden ze składników sam w sobie nie jest chiralny. Na przykład nasza dłoń składa się z atomów bez szczególnej chiralności, niemniej jednak, jak dowiedzieliśmy się wcześniej, jest przedmiotem chiralnym. To samo dotyczy wielu cząsteczek, w których chiralność pojawia się bez potrzeby stosowania jakiegokolwiek składnika chiralnego. To, czy cząsteczka ma geometrię lewoskrętną, czy prawoskrętną, może decydować o różnicy między lekiem leczniczym a substancją szkodliwą – obie wersje mogą mieć bardzo różne skutki biologiczne ze względu na odmienną geometrię trójwymiarową.
W materiałoznawstwie i nanofotonice chiralność wpływa na zachowanie materiałów magnetycznych metamateriały, prowadząc do zjawisk takich jak izolatory topologiczne lub dichroizm chiralny. Możliwość kontrolowania i manipulowania chiralnością materiałów kompozytowych składających się ze składników achiralnych zapewnia zatem bogate pokrętło do dostrajania właściwości materiałów zgodnie z wymaganiami danego zastosowania.
Postęp w technikach manipulacji elektronami
Czy możliwe jest ukształtowanie pojedynczego elektronu w chiralny trójwymiarowy obiekt pod względem ładunku i masy? Innymi słowy: czy można indukować chiralność w elektronie bez potrzeby spinu? Do tej pory badacze przemieszczali elektrony jedynie po spiralnych trajektoriach lub tworzyli wiązki wirów elektronowych, w których faza fali de Broglie’a wiruje wokół środka wiązki ze stałym ładunkiem i masą. Dla kontrastu, obiekt chiralnej fali materii, o którym fizycy z Konstanz podają w swoim artykule Science, ma płaską falę de Broglie’a, ale oczekiwane wartości ładunku i masy są ukształtowane w formę chiralną.
Do stworzenia tego obiektu wykorzystali ultraszybki transmisyjny mikroskop elektronowy i połączyli go z technologią laserową. Naukowcy najpierw wygenerowali femtosekundowe impulsy elektronów, a następnie ukształtowali je we wzory chiralne, wchodząc w interakcję z precyzyjnie modulowanymi falami laserowymi ze spiralnymi polami elektrycznymi. Zwykle w takim eksperymencie elektrony i fotony laserowe nie oddziałują, ponieważ nie można zachować energii i pędu. Jednakże membrany z azotku krzemu, które są przezroczyste dla elektronów, ale zmieniają fazę światła lasera, ułatwiły interakcję w eksperymencie.
Spiralne pola elektryczne w fali laserowej przyspieszały lub spowalniały nadchodzący elektron wokół środka wiązki, w zależności od położenia azymutalnego. W dalszej części wiązki przyspieszone lub opóźnione elektrony w końcu dogoniły się nawzajem, a funkcja falowa została przekształcona w chiralną cewkę masy i ładunku. „Następnie wykorzystaliśmy attosekundową mikroskopię elektronową do uzyskania szczegółowego tomograficznego pomiaru wartości oczekiwanej elektronu, czyli prawdopodobieństwa znalezienia się gdzieś w przestrzeni i czasie” – mówi Baum, wyjaśniając sposób, w jaki zmierzyli wygenerowane kształty. W eksperymencie pojawiły się prawo- lub lewoskrętne cewki pojedyncze lub podwójne. Do wytworzenia tej czysto geometrycznej chiralności nie był potrzebny ani spin, ani moment pędu, ani trajektorie spiralne.
Aby zbadać, czy interakcja trójwymiarowych cewek elektronowych z innymi materiałami chiralnymi zachowa chiralność, badacze umieścili w mikroskopie elektronowym nanocząstki złota z chiralnymi polami elektromagnetycznymi i wykorzystali chiralne cewki elektronowe do pomiaru dynamiki rozpraszania. W zależności od tego, czy badacze wystrzelili lewoskrętny elektron w prawoskrętny obiekt nanofotoniczny, czy odwrotnie, wyniki wykazały konstruktywne lub destruktywne zjawisko interferencji rotacyjnej. W pewnym sensie ogólna chiralność nigdy nie zniknęła.
Zupełnie nowy świat możliwości
Możliwość kształtowania elektronów w chiralne cewki o masie i ładunku otwiera nowe możliwości badań naukowych i innowacji technologicznych. Na przykład zaprojektowane chiralne wiązki elektronów powinny być przydatne w chiralnych pęsetach elektronowo-optycznych, technologiach czujników chiralnych, kwantowej mikroskopii elektronowej lub do badania i wytwarzania ruchu obrotowego w materiałach atomowych lub nanostrukturalnych. Ponadto wniosą wkład w ogólną fizykę cząstek i optykę kwantową.
„Chociaż do tej pory modulowaliśmy jedynie elektron, jedną z najprostszych cząstek elementarnych, metoda jest ogólna i ma zastosowanie do prawie każdej cząstki lub fali materii. Jakie inne cząstki elementarne mają lub mogą mieć takie chiralne kształty i czy istnieją możliwe konsekwencje kosmologiczne?” mówi Baum. Następnym krokiem badaczy jest wykorzystanie ich chiralnych elektronów w obrazowaniu elektronów attosekundowych i mikroskopii dwuelektronowej, aby dokładniej wyjaśnić zawiłe wzajemne oddziaływanie między chiralnym światłem i chiralnymi falami materii do zastosowań w przyszłych technologiach.
Odniesienie: „Strukturalne elektrony o chiralnej masie i ładunku” Yiqi Fanga, Joela Kuttruffa, Davida Nabbena i Petera Bauma, 11 lipca 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adp9143
Prof. Peter Baum kieruje Grupą Badań nad Światłem i Materią na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Konstancji. Jego zespół otrzymał niedawno Nagrodę Helmholtza w dziedzinie badań podstawowych za opracowanie innowacyjnej techniki mikroskopii attosekundowej.
Finansowanie: Niemiecka Fundacja Badawcza (DFG; SFB 1432) i Fundacja Dr. KH Eberle
