Кредит: Пан и Сюй

Поляризованные электроны — это электроны, у которых спины имеют «предпочтительную» ориентацию или преимущественно ориентированы в определенном направлении. Реализация этих электронов имеет важные последствия для физических исследований, поскольку она может проложить путь к созданию многообещающих материалов и сделать возможными новые эксперименты.

Исследователи из Восточно-китайского педагогического университета и Хэнаньской академии наук недавно представили новый метод поляризации свободных электронов в лабораторных условиях с использованием оптических методов ближнего поля, который влечет за собой применение световых лучей от оптического устройства, расположенного близко к образцу. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, может открыть новые интересные возможности для физики высоких энергий, развития квантовых технологий и материаловедения.

«Первоначальная идея этого исследования зародилась два года назад, когда я был постдокторантом в группе профессора Франсиско Хавьера Гарсии де Абахо, известной своей теоретической работой по оптическим возбуждениям в электронных пучках», — сказал Дэн Пан, один из учёных, проводивших исследование, сообщил Phys.org. «С тех пор область фотонно-индуцированной электронной микроскопии ближнего поля (PINEM) набрала обороты, став важной темой электронной микроскопии».

PINEM — многообещающий метод микроскопии, который может позволить исследователям манипулировать квантовыми свойствами электронов, что потенциально может открыть новые механизмы квантовых вычислений, основанные на свободных электронах. Предыдущие работы в первую очередь пытались использовать эту технику для управления орбиталями и импульсами электронов. В своем исследовании Пан и его коллега Хунсин Сюй решили изучить его потенциальное использование для поляризации свободных электронов.

«Я начал задаваться вопросом, можно ли использовать подобный подход для изменения спинового состояния электронов или даже для поляризации электронных пучков», — сказал Пан. «Участвуя в дискуссиях с несколькими экспертами в области теории электронных пучков, большинство из них считали, что такой эффект невозможно обнаружить, учитывая, что магнитное поле внутри электромагнитного поля значительно слабее, чем электрическая составляющая поля. Следовательно, было и удивительно, и неожиданно то, что мои расчеты в конечном итоге продемонстрировали существенный эффект поляризации электронов в оптическом ближнем поле».

Оптический метод, представленный Паном и Сюй, черпает вдохновение из PINEM, поскольку он основан на аналогичном подходе. Исследователи использовали массив нанопроволок (то есть периодическую наноструктуру) с тщательно подобранной постоянной решетки. Их конструкция обеспечивала согласование входной скорости электронов и структуры в ближнем поле, обеспечивая сильное взаимодействие между ними.

«Между моим предложением и схемой PINEM есть фундаментальное различие», — пояснил Пан. «Эффект PINEM индуцируется компонентой электрического поля, параллельной электронному лучу. Напротив, мы использовали поперечное электрическое (TE) ближнее поле, которое обладает только электрическим полем, перпендикулярным электронному лучу. Почему мы выбрали это? TE ближнего поля? Ответ тесно связан с другой увлекательной темой нанофотоники, известной как поперечный спиновый угловой момент или спин-орбитальное взаимодействие в оптических ближних полях».

Ближнее поле ТЕ, примененное исследователями, имеет магнитное поле с круговой поляризацией. В результате его можно использовать для управления спинами электронов точно так же, как другие поля можно использовать для управления квантовыми спинами.

«Пучок спиновых электронов оказался бесценным инструментом в изучении магнитных материалов и физики высоких энергий, помимо других областей», — сказал Пан. «Наше исследование также проливает свет на понимание того, что, хотя и слабее по сравнению с компонентом электрического поля, компонент магнитного поля в оптическом ближнем поле может быть использован для достижения непредвиденных результатов».

Пан и Сюй одними из первых внедрили надежный оптический метод получения спиновых электронов в лабораторных условиях. В будущем их подход может быть адаптирован и использован другими исследовательскими группами для создания спин-поляризованных электронных пучков, а также может вдохновить на разработку новых подходов к квантовым вычислениям, использующих как спины электронов, так и фотонов.

«С направлением, заданным этой работой, остается обширное теоретическое пространство для изучения, например, потенциал квантовой обработки информации, объединяющей спины электронов и фотонов», — добавил Пан. «Однако я считаю, что наиболее важным аспектом является экспериментальная демонстрация предложения, изложенного в этом исследовании. Я уже обсуждал эту работу с несколькими экспериментаторами, и они выразили оптимизм относительно возможности достижения наших результатов в экспериментах».