Eine optische Methode zur Polarisation freier Elektronen in einer Laborumgebung.

2. Juni 2023 feature

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Polarisierte Elektronen sind Elektronen, bei denen die Spins eine "bevorzugte" Ausrichtung haben oder bevorzugt in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind. Die Realisierung dieser Elektronen hat bemerkenswerte Auswirkungen auf die Physikforschung, da sie den Weg zur Schaffung vielversprechender Materialien ebnen und neue Experimente ermöglichen kann.

Forscher der East China Normal University und der Henan Academy of Sciences haben kürzlich eine neue Methode zur Polarisation freier Elektronen in einem Labor entwickelt. Dabei wird die Anwendung von Lichtstrahlen aus einem optischen Gerät, das in der Nähe einer Probe positioniert ist, genutzt. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Physical Review Letters, könnte interessante neue Möglichkeiten für die Hochenergiephysik, die Entwicklung der Quantentechnologie und die Materialwissenschaft eröffnen.

"Die ursprüngliche Idee für diese Studie entstand vor zwei Jahren, als ich als Postdoktorand in der Gruppe von Prof. Francisco Javier Garcia de Abajo arbeitete, die für ihre theoretische Arbeit zu optischen Anregungen in Elektronenstrahlen bekannt ist", sagte Deng Pan, einer der Forscher, die die Studie durchführten, gegenüber Phys.org. "Seitdem hat die photoninduzierte Nahfeld-Elektronenmikroskopie (PINEM) an Dynamik gewonnen und sich zu einem prominenten Thema in der Elektronenmikroskopie entwickelt."

PINEM ist eine vielversprechende Mikroskopietechnik, die es Forschern ermöglichen könnte, die quantenmechanischen Eigenschaften von Elektronen zu manipulieren, was möglicherweise neue Quantencomputing-Mechanismen enthüllen könnte, die auf freien Elektronen basieren. Bisherige Arbeiten haben sich hauptsächlich auf den Versuch konzentriert, die Orbitale und Impulse von Elektronen zu manipulieren. In ihrer Studie setzten Pan und sein Kollege Hongxing Xu auf ihre potenzielle Verwendung zur Polarisation freier Elektronen.

"Ich begann zu hinterfragen, ob ein ähnlicher Ansatz angewendet werden könnte, um den Spin-Zustand von Elektronen zu ändern oder sogar Elektronenstrahlen zu polarisieren", sagte Pan. "In Diskussionen mit mehreren Experten in der Elektronenstrahltheorie glaubten die meisten von ihnen, dass ein solcher Effekt aufgrund der Tatsache, dass das Magnetfeld innerhalb des elektromagnetischen Feldes deutlich schwächer ist als die elektrische Feldkomponente, nicht nachweisbar sei. Folglich war es überraschend und unerwartet, dass meine Berechnungen letztendlich den erheblichen Effekt der Elektronenpolarisation im optischen Nahfeld aufzeigten."

Die von Pan und Xu eingeführte optische Methode orientiert sich an PINEM und basiert auf einem ähnlichen Ansatz. Die Forscher verwendeten ein Nanokabel array (eine periodische Nanostruktur) mit einer sorgfältig entworfenen Gitterkonstante. Ihr Design gewährleistete eine Nahfeld-Übereinstimmung zwischen der Eingangselektronengeschwindigkeit und der Struktur, was eine starke Wechselwirkung zwischen ihnen sicherstellte.

"Es gibt einen grundlegenden Unterschied zwischen meinem Vorschlag und dem PINEM-Schema", erklärte Pan. "Der PINEM-Effekt wird durch die elektrische Feldkomponente parallel zum Elektronenstrahl induziert. Im Gegensatz dazu haben wir ein transversales elektrisches (TE) Nahfeld verwendet, das nur die elektrische Feldkomponente senkrecht zum Elektronenstrahl besitzt. Warum haben wir uns für dieses TE Nahfeld entschieden? Die Antwort ist eng mit einem anderen faszinierenden Thema in der Nanophotonik verbunden, dem transversalen Spin-Drehimpuls oder der Spin-Bahn-Wechselwirkung in optischen Nahfeldern."

Das von den Forschern angewandte TE Nahfeld hat ein zirkular polarisiertes Magnetfeld. Dadurch kann es genauso wie andere Felder verwendet werden, um die Spins von Elektronen zu manipulieren und zu kontrollieren.

"Ein Spin-Elektronenstrahl erweist sich als unschätzbares Werkzeug zur Untersuchung magnetischer Materialien und der Hochenergiephysik sowie anderer Bereiche", erklärte Pan. "Unsere Forschung gibt auch Aufschluss darüber, dass, obwohl sie im Vergleich zur elektrischen Feldkomponente schwächer ist, die Magnetfeldkomponente im optischen Nahfeld genutzt werden kann, um unvorhergesehene Ergebnisse zu erzielen."

Pan und Xu gehören zu den ersten, die eine zuverlässige optische Methode zur Vorbereitung von Spin-Elektronen in einer Laborumgebung eingeführt haben. In Zukunft könnte ihr Ansatz von anderen Forscherteams angepasst und zur Erstellung von spinpolarisierten Elektronenstrahlen genutzt werden, während er auch möglicherweise die Entwicklung neuer Quanten-Computing-Ansätze inspiriert, die sowohl die Spins von Elektronen als auch Photonen nutzen.

'With the direction provided by this work, there is still an extensive theoretical space to explore, such as the potential for quantum information processing combining electron and photon spins,' Pan added. 'However, I believe the most crucial aspect is the experimental demonstration of the proposal outlined in this study. I have already discussed this work with several experimentalists, and they have expressed optimism regarding the feasibility of achieving our results in experiments.'

Journal information: Physical Review Letters

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