扭曲的光给电子一个旋转的踢：研究人员开发了一种控制量子相互作用的新方法
发布时间：2024-11-29 09:44:45 阅读数： 626
在一项新的实验中，携带轨道角动量的光束使石墨烯中的电子获得（蓝色光束）和失去（红色光束）角动量，在样品中传输它们并产生研究人员测量的电流。来源：Mahmoud Jalali Mehrabad/JQI
当你在海滩上悠闲地晒太阳时，或许未曾留意，但光线其实蕴含着巨大的能量与动量。光不仅传递能量，还能传递动量，这包括推动物体前进的线动量和使物体绕轴旋转的轨道角动量。想象一下，地球绕太阳公转，就是携带着轨道角动量的生动例证。
在科学的探索之路上，科学家们一直致力于更好地理解并控制光与物质之间的量子相互作用。最近，一项发表在2024年11月26日《自然光子学》杂志上的研究，揭示了利用光给电子旋转的新方法。这项研究的团队由德里克·塞申斯领导，他是JQI（联合量子研究所）和马里兰大学的博士后研究员。
科学家们发现，光束能够可靠地将轨道角动量传递给石墨烯中的流动电子。这一发现对于量子计算、量子传感等前沿科技领域具有重要意义，因为严格控制光与物质的相互作用是这些应用的基本要求。
然而，要实现这一目标并不容易。一个主要的挑战在于规模不匹配。原子和它们的轨道电子非常小，而用来与它们相互作用的光束则相对庞大。这就像试图用一根粗大的绳子去拉动一个微小的珠子，珠子很难感受到绳子的拉力。
为了克服这一难题，研究人员没有选择缩小光的波长（这会增加每个光子携带的能量，使得原子作为实验目标变得不可靠），而是采取了另一种策略：让电子“膨胀”，使它们占据更多的空间。在石墨烯这种导电材料中，电子有更大的自由度，可以在不受控制的情况下传播得更远。
研究人员将石墨烯样品冷却到接近绝对零度的温度，并将其置于强磁场中。这样，原本可以自由移动的电子就被困在了称为回旋加速器轨道的环路中。随着磁场的增强，这些轨道变得越来越紧密，直到许多循环电子被挤得如此之紧，以至于没有更多的电子可以容纳。虽然轨道很紧，但它们仍然比原子中的电子轨道大得多，这使得它们能够注意到携带轨道角动量的光。
在实验中，研究人员使用了一个与电极连接的石墨烯样本。一个电极位于样品的中间，另一个电极在样品的外缘形成一个环。他们发现，当用带有顺时针或逆时针轨道角动量的光撞击石墨烯样品时，电流的方向会随之改变。这一发现表明，光的轨道角动量确实被传递给了石墨烯中的电子。
然而，实验过程并非一帆风顺。塞申斯和他的团队在制作石墨烯样品时遇到了不少困难，甚至一度无法获得足够好的数据。幸运的是，他们联系到了意大利米兰理工大学的物理学家罗曼·索尔丹领导的小组，后者成功制作了符合实验要求的石墨烯样品。
即便有了合适的样品，实验仍然充满挑战。由于需要将扭曲的光与样品精确对齐以观察电流，研究人员进行了大量的空间扫描和精度调整。最终，在一周左右的时间里，他们成功收集了所有所需的数据，并确认了电流依赖于光束的轨道角动量。
除了展示一种用光控制物质的新方法外，这项技术还可能为量子材料中电子的测量带来革命性的变化。通过特制的光束和干涉测量技术，科学家们可以像使用显微镜一样成像电子的空间范围，直接测量材料中电子的量子性质。这不仅有助于检测电子的相干性，还为操纵电子提供了新的可能性。
正如马哈茂德·贾拉利·梅赫拉巴德所说：“能够测量自由电子的这些空间自由度是以可控的方式测量电子的相干性和操纵它们的重要组成部分。这就像找到了圣杯一样?！彼孀耪庀钛芯康纳钊牒头⒄?，我们有理由相信，光与物质之间的量子相互作用将为我们揭示更多宇宙的奥秘。
