Μια «συστροφή» σε λειτουργία κυμάτων με δέσμες ηλεκτρονίων υπερταχείας δίνης
Σύμφωνα με τους θεμελιώδεις νόμους της κβαντικής μηχανικής, κάθε σωματίδιο έχει επίσης μια οδοντωτή φύση. Το χαρακτηριστικό μήκος κύματος που σχετίζεται με ένα στοιχειώδες σωματίδιο εξαρτάται από τη μάζα και την ταχύτητά του. Τα πολύ γρήγορα ηλεκτρόνια, αν και πολύ ελαφριά αντικείμενα, έχουν ένα πολύ μικρό μήκος κύματος που τα καθιστά ιδανικά για πειράματα μικροσκοπίας υψηλής ανάλυσης. Η χρήση ηλεκτρονίων ως σωματιδίων απεικόνισης επιτρέπει την ανάλυση μεμονωμένων ατόμων σε υλικά.
Στη συμβατική απεικόνιση με φως, μετράει κανείς πόσο φως διαφορετικού χρώματος προσπίπτει σε ένα φωτογραφικό φιλμ δίνοντας μια δισδιάστατη εικόνα ενός αντικειμένου. Για τη λήψη τρισδιάστατων πληροφοριών για ένα αντικείμενο, χρησιμοποιείται ολογραφία. Στη συμβατική ολογραφία, δύο δέσμες φωτός χρησιμοποιούνται για την ανάκτηση όχι μόνο των πληροφοριών έντασης και χρώματος, αλλά και των πληροφοριών φάσης στο φως που διασκορπίζεται από ένα αντικείμενο. Η φάση καθορίζει τη θέση ενός σημείου εντός του κύκλου κύματος του φωτονίου και συσχετίζεται με το βάθος της πληροφορίας, πράγμα που σημαίνει ότι η καταγραφή της φάσης του φωτός που σκεδάζεται από ένα αντικείμενο μπορεί να ανακτήσει το πλήρες τρισδιάστατο σχήμα του, το οποίο δεν μπορεί να ληφθεί με μια απλή φωτογραφία. Αυτή είναι η βάση της οπτικής ολογραφίας, που έγινε δημοφιλής από τα φανταχτερά ολογράμματα σε ταινίες επιστημονικής φαντασίας όπως το Star Wars. Πρακτικά, οι δύο δοκοί χωρίζονται χωρικά. ένα χρησιμοποιείται ως αναφορά και ένα χρησιμοποιείται για απεικόνιση.
Επειδή το μήκος κύματος που σχετίζεται με ένα ηλεκτρόνιο είναι πολύ μικρότερο από το τυπικό μήκος κύματος ενός φωτονίου, η ολογραφία ηλεκτρονίων μπορεί να αναλύσει πολύ μικρότερα τρισδιάστατα αντικείμενα (βλ. Εικ. 1), παρέχοντας άμεση απεικόνιση κάθε μεμονωμένου ατόμου σε ένα νανοσωματίδιο. Και οι δύο τεχνικές, η ολογραφία ηλεκτρονίων και φωτός, παράγουν στατικές τρισδιάστατες εικόνες ενός αντικειμένου.
Μια τρέχουσα πρόκληση είναι να αναπτυχθούν περαιτέρω αυτές οι μέθοδοι για την παροχή τόσο χωρικής όσο και χρονικής ανάλυσης, επιτρέποντας έτσι την ανάκτηση πληροφοριών πλάτους και φάσης αντικειμένων που αλλάζουν γρήγορα. Στο εργαστήριο υπερταχείας μικροσκοπίας και σκέδασης ηλεκτρονίων στο EPFL στην Ελβετία, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια νέα ολογραφική μέθοδο ικανή να επιλύει λεπτές λεπτομέρειες μέχρι τη χωρική κλίμακα νανομέτρων με χρονική ανάλυση attosecond (10-18 sec). Για να δείξουν αυτό το επίτευγμα, κινηματογράφησαν τη διάδοση του φωτός σε μια κεραία μεγέθους νανο.
Η ίδια η μέθοδος είναι μια εξωτική εφαρμογή της ολογραφίας ηλεκτρονίων. Αντί να χρησιμοποιούν δύο χωρικά διαχωρισμένα ρεύματα ηλεκτρονίων για την αναφορά και τη δέσμη απεικόνισης, εκμεταλλεύτηκαν την ικανότητα του φωτός να διαιρεί μια κυματοσυνάρτηση ηλεκτρονίων σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας. Τα ηλεκτρόνια διαφορετικών ενεργειών χρησίμευαν τόσο ως δέσμη αναφοράς όσο και ως δέσμη απεικόνισης, διαφορετικά από τη συμβατική ολογραφία στην οποία οι δέσμες απεικόνισης και αναφοράς διαχωρίζονται στο χώρο. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι το φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον δυναμικό έλεγχο της διάσπασης της δέσμης ηλεκτρονίων, στη χρονική κλίμακα attosecond.
Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι ότι ενώ το φως διασπά σε ενέργεια την κυματοσυνάρτηση ενός ηλεκτρονίου, μπορεί να αποτυπώσει σε αυτό ελεγχόμενες κβαντικές πληροφορίες που κωδικοποιούνται στο ολογραφικό μοτίβο που απεικονίζεται. Αυτό προσφέρει νέες προοπτικές για τον κβαντικό υπολογισμό, καθώς κατ' αρχήν δίνει τη δυνατότητα αποθήκευσης πολυδιάστατων κβαντικών πληροφοριών σε ένα ολόγραμμα που μπορεί να χειριστεί χρησιμοποιώντας παλμούς φωτός.
Στον πυρήνα αυτής της νέας μεθόδου βρίσκεται η ικανότητα των παλμών φωτός να χειρίζονται την κυματοσυνάρτηση μεμονωμένων ηλεκτρονίων. Μια τέτοια ικανότητα μπορεί επίσης να αξιοποιηθεί περαιτέρω για την κυριολεκτική συστροφή τους, λαμβάνοντας μια λεγόμενη δέσμη ηλεκτρονίων στροβιλισμού.
Οι δίνες είναι πολύ συνηθισμένες στη φύση, από ανεμοστρόβιλους, κυκλώνες και γαλαξίες μέχρι στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία μπορούν να αποκτήσουν φύση σαν δίνη όταν περιστρέφονται γύρω από έναν σταθερό άξονα όπως η άκρη ενός τιρμπουσόν. Όταν τα σωματίδια κινούνται έτσι, σχηματίζουν αυτό που ονομάζουμε «δέσμες δίνης». Αυτές οι δέσμες είναι πολύ ενδιαφέρουσες γιατί υπονοούν ότι το σωματίδιο έχει μια καλά καθορισμένη τροχιακή γωνιακή ορμή, η οποία περιγράφει την περιστροφή ενός σωματιδίου γύρω από ένα σταθερό σημείο.
Επειδή τα εγγενή χαρακτηριστικά του στοιχειώδους σωματιδίου έχουν τροποποιηθεί, η αλληλεπίδρασή του με άλλα αντικείμενα θα αλλάξει επίσης. Αυτό σημαίνει ότι οι δέσμες στροβιλισμού μπορούν να μας παρέχουν νέες αλληλεπιδράσεις ακτινοβολίας/ύλης. Πρόσφατα, αποδείχθηκε για παράδειγμα ότι οι δέσμες στροβιλισμού έχουν αυξημένη ευαισθησία στα μαγνητικά πεδία. Μια άλλη πολλά υποσχόμενη πιθανότητα είναι ότι τέτοιες δέσμες μπορούν να ενεργοποιήσουν νέα κανάλια απορρόφησης για την αλληλεπίδραση μεταξύ ακτινοβολίας και ιστού σε ιατρικές θεραπείες (π.χ. ακτινοθεραπεία). Επιπλέον, η συστροφή ενός στοιχειώδους σωματιδίου με ελεγχόμενο τρόπο θα μπορούσε επίσης να είναι χρήσιμη για να αποκαλύψει την εσωτερική του δομή. Οι γνώσεις για την εσωτερική δομή των νετρονίων έχουν αποκαλυφθεί με παρόμοια μέθοδο για παράδειγμα.
Συνήθως, η διαμόρφωση της κυματικής συνάρτησης ενός σωματιδίου γίνεται χρησιμοποιώντας μια «μάσκα παθητικής φάσης», η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως ένα στάσιμο εμπόδιο στο νερό, που διαμορφώνει τα κύματα που περνούν. Μια κατάλληλη μάσκα φάσης, όπως μια τρύπα στο νεροχύτη, για παράδειγμα, μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό υδρομασάζ. Μέχρι στιγμής, οι φυσικοί χρησιμοποιούν τη μέθοδο μάσκας παθητικής φάσης για να δημιουργήσουν δέσμες στροβιλισμού ηλεκτρονίων και νετρονίων.
Αλλά τώρα, επιστήμονες από το εργαστήριο του Fabrizio Carbone στο EPFL απέδειξαν για πρώτη φορά ότι είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί το φως για τη δυναμική συστροφή της κυματικής συνάρτησης ενός μεμονωμένου ηλεκτρονίου. Οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν μια δέσμη ηλεκτρονίων εξαιρετικά βραχείας δίνης και να αλλάξουν ενεργά τη δίνη της στη χρονική κλίμακα του attosecond (10-18 δευτερόλεπτα).
Για να γίνει αυτό, χρησιμοποίησαν πολύ ισχυρά τοπικά πεδία φωτός για να δημιουργήσουν την απαραίτητη μάσκα φάσης. Η εκτόξευση υπερμικρών παλμών ηλεκτρονίων, συγχρονισμένων με τη μέγιστη ισχύ των φωτεινών πεδίων, είχε ως αποτέλεσμα τη συστροφή της κυματοσυνάρτησής τους (βλ. Εικ. 4).
Υπάρχουν πολλές πρακτικές εφαρμογές από αυτά τα πειράματα. Οι δέσμες ηλεκτρονίων υπερταχείας δίνης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση και τον χειρισμό κβαντικών πληροφοριών και η τροχιακή γωνιακή ορμή των ηλεκτρονίων μπορεί να μεταφερθεί στα σπιν μαγνητικών υλικών για τον έλεγχο του τοπολογικού φορτίου σε νέες συσκευές αποθήκευσης δεδομένων. Αλλά, ακόμα πιο ενδιαφέρον, η χρήση φωτός για τη δυναμική «στρέψη» των κυμάτων ύλης προσφέρει μια νέα προοπτική στη διαμόρφωση πρωτονίων ή δεσμών ιόντων όπως αυτές που χρησιμοποιούνται στην ιατρική θεραπεία, επιτρέποντας πιθανώς νέους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας-ύλης που μπορεί να είναι πολύ χρήσιμοι για την επιλεκτική αφαίρεση ιστών τεχνικές.
