带你看亚原子世界，神奇的粒子扭曲漩涡！

在儒勒·凡尔纳著名的经典作品《海底两万里》中，标志性的诺第留斯号潜艇消失在莫斯科海峡中，这是挪威海岸的一个巨大漩涡。在太空中，恒星绕着黑洞旋转；在地球上，旋风、龙卷风和尘暴肆虐大地。从星系到搅拌成咖啡的牛奶，所有这些现象都有一个漩涡形状，这在自然界中很常见。在亚原子世界里，基本粒子或能量流会像开塞钻的尖端一样绕着一个固定的轴旋转。当粒子像这样运动时，它们会形成我们所说的“涡旋光束”。

这些光束意味着粒子有一个明确的轨道角动量，它描述了一个粒子围绕一个定点的旋转。因此，涡旋光束可以为我们提供与物质相互作用的新途径，例如增强传感器对磁场的敏感度，或者在医疗治疗(例如放射治疗)中为辐射与组织的相互作用生成新的吸收通道。但涡旋光束也能在基本粒子间的基本相互作用中形成新通道，有望对中子、质子或离子等粒子内部结构提供新的洞见。物质表现出波粒二象性，这意味着，科学家可以通过简单地调节粒子的波函数，使大质量粒子形成涡旋光束。

这可以通过一种叫做“被动相位掩模”的设备来实现，它可以被认为是海洋中的一个固定障碍物。当海上的波浪撞击它时，它们的“波性”会发生变化，形成漩涡。物理学家们一直在使用无源相位掩模法来制造电子和中子的涡旋光束。但是现在，来自EPFL的Fabrizio Carbone实验室科学家已经证明：利用光来动态扭曲单个电子波函数是可能的，能够产生超短涡旋电子束，并在阿秒(10^-18秒)的时间尺度上主动改变其涡度。

为了做到这一点，研究小组利用了纳米尺度上控制粒子相互作用的基本规则之一：能量和动量守恒。这意味着两个粒子碰撞前后的能量、质量和速度之和必须相同。这一约束使得电子在与特定的光场(即手性等离子体)相互作用时获得轨道角动量。在实验中，科学家们通过金属薄膜上的纳米孔发射了圆偏振超短激光脉冲。这就产生了一个强的局域电磁场(手性等离子体)，单个电子与之相互作用。科学家们使用超快透射电子显微镜来监测电子的相分布。

在电子与电场的相互作用过程中，电子的波函数呈现出手性调制，即通过调节激光脉冲的偏振，可以主动地控制电子的“利手性”。这些实验有许多实际应用，超快涡旋电子束可以用来编码和操纵量子信息；电子轨道角动量可以转移到磁性材料的自旋上，从而控制用于数据存储的新器件拓扑电荷。但更有趣的是，利用光来动态扭曲物质波，在塑造质子或离子束方面提供了一个新视角，比如那些用于医学治疗的质子或离子束，这可能使新的放射-物质相互作用机制成为可能，对选择性组织消融技术非常有用。