“咬尾蛇”：洞察量子世界的光學(xué)渦旋

2020-09-26 12:28

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創(chuàng) 長光所Light中心中國光學(xué) 收錄于話題#渦旋光6個

在中學(xué)物理的課本中，有這樣的一幅“咬尾蛇”圖片，這是科學(xué)界一副非常有名的圖片，而為什么是蛇的圖樣，這主要是與神話傳說和圖騰有關(guān)。圖中蛇頭代表宇宙，順著蛇身向后，依次代表尺寸逐漸變小的星系、恒星、行星、生命體、DNA、原子、基本粒子等。而蛇頭咬著蛇尾是因為最大尺度的宇宙和最小尺度的基本粒子之間存在著很多共性。在科學(xué)發(fā)展的過程中，人們要探索宇宙的奧秘以及觀察最小基本粒子的規(guī)律，就需要一定的工具或者說是手段。

圖1 物質(zhì)規(guī)律圖

圖源：初中物理課本扉頁上的插圖

光學(xué)顯微鏡的發(fā)明讓世界第一次看到了細菌和細胞的微觀世界。然而，光的波長限制了光學(xué)顯微鏡的分辨率。而在原子的世界中，基本粒子(比如電子)的空間尺寸比光的波長要小很多倍，這使得使用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡來觀察更小的微觀粒子變的不在可能。所以說，“微觀世界對我們?nèi)匀皇遣豢梢姷??！?/p>

圖源：VEER

后來科學(xué)家又發(fā)明了電子顯微鏡（EM），從而將光學(xué)顯微鏡的分辨率極限從0.2微米提升到了0.2納米，提升了1000倍。雖然電鏡已經(jīng)相當優(yōu)秀了，但是它也只能觀測微觀結(jié)構(gòu)的表面形貌。在后來伴隨著量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們又提出了掃描隧道顯微鏡（STM），使可觀測分辨率到達了0.01納米并且可操控單個原子。

但無論怎樣，我們回過頭來想想，他們都似乎都只能觀測微觀世界的靜態(tài)表面信息，而科學(xué)們都知道微觀世界的物理過程或者化學(xué)反應(yīng)都是動態(tài)變化的。例如：化學(xué)反應(yīng)在其最基本的水平上，是由它們各自的電子結(jié)構(gòu)和動力學(xué)決定。物質(zhì)在光照射等刺激的作用下，電子在得以在微觀世界重新排列。而這整個過程只需要幾百阿秒（1阿秒是十億分之一秒的十億分之一秒）。

圖2 光氣（CoCl2）與硅酸鈉的超快反應(yīng)

圖源：BeautifulChemistry

正是由于這樣的需求，科學(xué)家們又提出泵浦探測技術(shù)，以期望能觀測到原子內(nèi)部動力學(xué)過程以及更多的量子狀態(tài)信息。泵浦探測技術(shù)的起源來自愛因斯坦提出的光電效應(yīng)?！爱敼怆娮拥哪芰繌姶蟮阶阋詫⒁粋€電子從物質(zhì)中可激發(fā)出來的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)?！爆F(xiàn)在又隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，飛秒甚至是阿秒泵浦探測技術(shù)也在如火如荼的開展著。而后在利用光譜計就可以探測發(fā)射的光電子的性質(zhì)。光電子能譜是目前用于分析材料電子結(jié)構(gòu)的主要工具。但是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在微觀世界里“許多量子狀態(tài)并不都是由光子激發(fā)的，因此它們的屬性仍然是不可見的?！贝藭r，又該怎么辦呢？

近日，一種新的方法被提出即：利用光漩渦的手性特性（

）可使研究人員能夠觀察到以前電子量子態(tài)所觀測不到的現(xiàn)象。該方法是斯洛文尼亞的物理學(xué)家Giovanni De Ninno和所在的國際研究團隊開發(fā)。這種方法有望為電子運動提供新的探測手段，而電子運動對于理解材料的電導(dǎo)率、磁性和分子結(jié)構(gòu)等特性至關(guān)重要。例如：繪制病毒原子的詳細結(jié)構(gòu)、解密細胞分子的構(gòu)成、拍攝納米世界的三維圖像等。同時，歐洲（意大利）費米X射線自由電子激光被用來進行了實驗證明。該成果以“Photoelectric effect with a twist”為題發(fā)表在Nature Photonics。

圖3 具有光渦旋軌道角動量依賴性的光電子實驗驗證裝置

圖源：Nat. Photonics 14, 554–558 (2020)

為了做到將軌道角動量的特性賦予到微觀粒子，物理學(xué)家們將傳統(tǒng)的激光束(XUV)與光漩渦(Vortex IR)結(jié)合了起來。這迫使光波以軌道角動量形式進入螺旋路徑。當它們與物質(zhì)相互作用時，電子被激發(fā)出去，這種螺旋運動的屬性就會被傳遞到被激發(fā)出來的粒子上。再將這種被激發(fā)出來的物質(zhì)與光譜學(xué)結(jié)合起來時，就可以探測到這種物質(zhì)以前不可見的特性。例如：光電子如何以及是否與扭曲的光波相互作用并開始軌道旋轉(zhuǎn)，這些特性很大程度上都取決于材料本身的性質(zhì)。

其研究理論預(yù)測和測量結(jié)果非常一致，這種新的光譜學(xué)方法為洞察物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其與光的相互作用鋪平了道路。例如：分子是什么樣子的，是順時針旋轉(zhuǎn)還是逆時針旋轉(zhuǎn)；材料是導(dǎo)電還是磁性的，都取決于電子結(jié)構(gòu)。同時，這種方法也可以被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、電子和材料科學(xué)等領(lǐng)域。

文章信息

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

論文地址

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

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