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近代物理所科研人員在電子渦旋束流研究方面取得重要成果

    時間:2018-01-03 字體大小[]

      近日,近代物理所科研人員通過電子云概念以及通過洛倫茲變換性質研究了電子渦旋束流的角動量性質,并結合不同外電場、磁場首次提出了操縱電子渦旋束流及其角動量的方法。 

      自旋是大家熟知的微觀粒子的一種內稟屬性,而對于軌道角動量的研究揭示出微觀粒子還有其他的奇特性質。電子渦旋束流是近期非常熱門的研究問題,該類電子最大的特點是其波函數具有非常特殊的相因子,并由此存在一類特殊的軌道角動量——內稟軌道角動量(intrinsic OAM),其方向與電子運動的角動量方向相同。與其他研究方法不同的是,此項工作運用電子云概念首次研究了渦旋電子束流在電場、磁場中的動力學問題,得出了正確的角動量進動方程,并提出了3種操縱電子渦旋束流及其角動量的方法。 

      1)分離角動量不同的電子渦旋束流。 

      由于電子軌道角動量與電子磁矩具有一一對應關系,因此在外磁場中,磁場將對軌道角動量產生力的效果。對于角動量不同的電子束流,在縱向磁場(BL)中將獲得不同的加速效果,使得相應的電子束流具有不同的速度。由此可以利用速度選擇器選擇我們實際研究需要的具有特定角動量的電子束流,如下圖。 

      2)利用電磁場凍結內稟軌道角動量,保持角動量的螺旋性不變。 

      電子渦旋束流的螺旋性可以通過內稟軌道角動量的進動頻率和電子束流的回旋頻率來調節。當兩種頻率相同時,內稟軌道角動量的螺旋性保持不變。一般來講,在只有磁場的條件下回旋頻率是進動頻率的兩倍,因此束流的螺旋性不能夠保持不變。但是電場與磁場同時存在并且滿足一定條件時,進動頻率與回旋頻率可以相同。以此可以控制電子束流的方向,同時保持束流的內稟角動量。 

      3)反轉內稟軌道角動量。 

      電子渦旋束流的內稟軌道角動量反轉可以由電子自旋的反轉原理實現,即由磁共振現象實現。在磁共振現象中,兩者的差別僅在于外加磁場頻率的不同。 

      最后研究人員指出電子渦旋束流相關性質的研究可以推廣到正電子或者是強子的渦旋性質研究。相關的操縱方法可以廣泛應用于原子物理、材料物理以及高能核物理的相關研究。 

      此項研究得到了國家自然科學基金委支持。研究成果發表在《物理評論快報》上,文章鏈接: 

      https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.243903 

      

     

      圖:電子渦旋束流中具有不同內稟角動量的電子在速度選擇器中獲得不同的偏轉。 

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