渦旋是自然界中一種常見且神秘的現(xiàn)象，例如，河里的水漩渦和天上的龍卷風(fēng)，以及宇宙空間中的螺旋星云。在科學(xué)界，近年來，渦旋光束和渦旋電子束都引起了世界各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注。而具有軌道角動(dòng)量的渦旋光束已經(jīng)在量子通信、空間光通信和光學(xué)顯微操控等領(lǐng)域扮演著重要角色。
電子科技大學(xué)楊元杰副研究員在研究渦旋現(xiàn)象的過程中，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)有意思的問題。一是目前國際上提出的產(chǎn)生渦旋光束、電子束的很多方法都用到了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并且這些結(jié)構(gòu)外形差別很大。雖然每篇文獻(xiàn)都對(duì)他們提出的方法本身進(jìn)行了詳細(xì)的描述，報(bào)道了是怎么做的，但是并沒有解釋為什么那樣的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生特定的渦旋光束。
二是目前提出的產(chǎn)生渦旋電子束的方法，一般只能產(chǎn)生具有簡單空間結(jié)構(gòu)的渦旋電子束。即便如此，很多實(shí)驗(yàn)方案中的樣品加工難度依然很大。由于目前尚無對(duì)應(yīng)于空間光調(diào)制器的“空間電子調(diào)制器”，因此，很難產(chǎn)生具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的渦旋電子束，雖然這類特殊空間結(jié)構(gòu)的渦旋電子束也具有重要的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。
針對(duì)以上問題，楊元杰副研究員在理論公式推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了隱藏于這類旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)背后的一個(gè)共同的規(guī)律——軌道角動(dòng)量選模原理，它揭示了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性與產(chǎn)生渦旋場的軌道角動(dòng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該原理可以成功解釋目前已有文獻(xiàn)中報(bào)道的很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
有趣的是，楊元杰副研究員在向日葵瓜子分布圖案的啟發(fā)下，利用該原理，設(shè)計(jì)出了能夠產(chǎn)生復(fù)合渦旋電子束的電子篩。該電子篩的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)向日葵(如上圖)，采用聚焦離子束打孔即可，加工難度小。利用該電子篩，楊元杰副研究員與約克大學(xué)Thirunavukkarasu博士、Babiker教授 和 Yuan教授一起，在實(shí)驗(yàn)上首次得到了具有三重簡并結(jié)構(gòu)（拓?fù)浜蓴?shù)分別為-11, 44和-55）的復(fù)合渦旋電子束，合作完成了論文。相關(guān)研究發(fā)表在國際物理類頂級(jí)期刊Physical ReviewLetters上。
論文信息：
Y. Yang, G.Thirunavukkarasu, M. Babiker, and J Yuan. Orbital-angular-momentum modeselection by rotationally symmetric superposition of chiral states withapplication to electron vortex beams. Phys. Rev. Lett., 119：094802 (2017).
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