Torcendo turbilhões de elétrons

No famoso clássico 20.000 Léguas Submarinas de Jules Verne , o icônico submarino Nautilus desaparece no Moskenstraumen, um enorme redemoinho na costa da Noruega. No espaço, estrelas espiralam em torno de buracos negros; na Terra, ciclones, tornados e diabinhos se espalham pela terra.

Todos esses fenômenos têm uma forma de vórtice, que é comumente encontrada na natureza, de galáxias a leite misturado ao café. No mundo subatômico, um fluxo de partículas elementares ou energia irá espiralar em torno de um eixo fixo como a ponta de um saca-rolhas. Quando as partículas se movem assim, elas formam o que chamamos de " feixes de vórtices ". Estes feixes implicam que a partícula tem um momento angular orbital bem definido, que descreve a rotação de uma partícula em torno de um ponto fixo.

Assim, os feixes de vórtices podem nos proporcionar novas formas de interação com a matéria, por exemplo, maior sensibilidade a campos magnéticos em sensores ou geração de novos canais de absorção para a interação entre radiação e tecido em tratamentos médicos (por exemplo, radioterapia). Mas os feixes de vórtices também permitem novos canais em interações básicas entre partículas elementares, prometendo novos insights sobre a estrutura interna de partículas como nêutrons, prótons ou íons.

A matéria exibe a dualidade onda-partícula. Isso significa que os cientistas podem fazer partículas massivas formarem vórtices simplesmente modulando sua função de onda. Isso pode ser feito com um dispositivo chamado de "máscara de fase passiva", que pode ser considerado um obstáculo permanente no mar. Quando as ondas no mar se chocam, a sua "onda" muda e elas formam redemoinhos. Os físicos têm usado o método da máscara de fase passiva para fazer feixes de vórtices de elétrons e nêutrons.

Mas agora, cientistas do laboratório de Fabrizio Carbone na EPFL demonstraram que é possível usar a luz para torcer dinamicamente a função de onda de um elétron individual. Eles foram capazes de gerar um feixe de elétrons vortex ultracurtos e ativamente mudar sua vorticidade na escala de tempo attosecond (10 -18 segundos).

Para fazer isso, a equipe explorou uma das regras fundamentais que regem a interação de partículas no nível da nanoescala: energia e conservação de momento. O que isto significa é que a soma das energias, massas e velocidades de duas partículas antes e depois de sua colisão deve ser a mesma. Esta restrição faz com que um elétron ganhe momento angular orbital durante sua interação com um campo de luz preparado ad hoc, isto é, um plasmídeo quiral.

Em termos experimentais, os cientistas dispararam pulsos de laser ultracurtos polarizados circularmente através de um nano-buraco em um filme metálico. Isto induziu um forte campo eletromagnético localizado (o plasmídeo quiral), e elétrons individuais foram feitos para interagir com ele. Os cientistas usaram um microscópio eletrônico de transmissão ultra-rápida para monitorar os perfis de fase resultantes dos elétrons. O que eles descobriram foi que durante a interação dos elétrons com o campo, a função de onda dos elétrons assumiu uma modulação quiral, um movimento com a mão direita ou esquerda, cuja "lateralidade" pode ser ativamente controlada pelo ajuste da polarização do laser. pulsos.

"Há muitas aplicações práticas desses experimentos", diz Fabrizio Carbone. " Feixes de elétrons vortex ultra-rápidos podem ser usados ​​para codificar e manipular informações quânticas; o momento angular orbital dos elétrons pode ser transferido para os spins de materiais magnéticos para controlar a carga topológica em novos dispositivos para armazenamento de dados. Mas ainda mais intrigante ondas de matéria de torção dinâmica oferecem uma nova perspectiva na formação de prótons ou feixes de íons, tais como aqueles usados ​​em terapia médica, possivelmente permitindo novos mecanismos de interação radiação-matéria que podem ser muito úteis para técnicas seletivas de ablação de tecidos ”.

Artigo publicado na Nature Materials -  DOI: 10.1038 / s41563-019-0336-1

Fonte - Phys.org