Un método óptico para polarizar electrones libres en un entorno de laboratorio

2 de junio de 2023 feature

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los electrones polarizados son electrones cuyos espines tienen una orientación 'preferida' o están preferentemente orientados en una dirección específica. La realización de estos electrones tiene importantes implicaciones para la investigación en física, ya que puede allanar el camino hacia la creación de materiales prometedores y permitir nuevos experimentos.

Recientemente, investigadores de la Universidad Normal de China Oriental y la Academia de Ciencias de Henan introdujeron un nuevo método para polarizar electrones libres en un entorno de laboratorio utilizando técnicas ópticas de campo cercano, lo cual implica la aplicación de haces de luz desde un dispositivo óptico posicionado cerca de una muestra. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, podría abrir interesantes nuevas posibilidades para la física de alta energía, el desarrollo de tecnología cuántica y la ciencia de materiales.

'La idea inicial para este estudio se originó hace dos años mientras yo era un investigador postdoctoral en el grupo del Prof. Francisco Javier García de Abajo, reconocido por su trabajo teórico en excitaciones ópticas en haces de electrones', dijo Deng Pan, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org. 'Desde entonces, el campo de la microscopía electrónica inducida por fotones de campo cercano (PINEM) ha ganado impulso, surgiendo como un tema prominente en la microscopía electrónica'.

PINEM es una técnica prometedora de microscopía que podría permitir a los investigadores manipular las propiedades cuánticas de los electrones, lo que podría revelar nuevos mecanismos de computación cuántica que dependen de electrones libres. Trabajos anteriores principalmente intentaron utilizar esta técnica para manipular los orbitales y los momentos de los electrones. En su estudio, Pan y su colega Hongxing Xu se propusieron explorar su uso potencial para polarizar electrones libres.

'Comencé a cuestionar si se podría emplear un enfoque similar para alterar el estado de giro de los electrones o incluso polarizar los haces de electrones', dijo Pan. 'Al involucrarme en discusiones con varios expertos en teoría de haces de electrones, la mayoría de ellos creían que tal efecto era indetectable, dado que el campo magnético dentro del campo electromagnético es significativamente más débil que el componente del campo eléctrico. En consecuencia, fue sorprendente e inesperado que mis cálculos demostraran finalmente el efecto sustancial de polarización de electrones dentro del campo óptico cercano'.

El método óptico introducido por Pan y Xu se inspira en PINEM, ya que se basa en un enfoque similar. Los investigadores utilizaron una matriz nanocable (es decir, una nanoestructura periódica) con una constante de red cuidadosamente diseñada. Su diseño aseguró una coincidencia de campo cercano entre la velocidad de electrones de entrada y la estructura, asegurando una fuerte interacción entre ellos.

'Hay una diferencia fundamental entre mi propuesta y el esquema de PINEM', explicó Pan. 'El efecto PINEM es inducido por el componente del campo eléctrico paralelo al haz de electrones. En contraste, utilizamos un campo cercano eléctrico transversal (TE), que solo posee el campo eléctrico perpendicular al haz de electrones. ¿Por qué elegimos este campo cercano TE? La respuesta está estrechamente relacionada con otro tema fascinante en nanofotónica conocido como momento angular de spin transversal o interacción spin-órbita en campos cercanos ópticos'.

El campo cercano TE aplicado por los investigadores tiene un campo magnético circularmente polarizado. Como resultado, se puede usar para manipular los giros de los electrones, al igual que otros campos se pueden usar para controlar los giros cuánticos.

'Un haz de electrones de giro demuestra ser una herramienta inestimable en el estudio de materiales magnéticos y física de alta energía, entre otras áreas', dijo Pan. 'Nuestra investigación también arroja luz sobre la realización de que, aunque más débil en comparación con el componente del campo eléctrico, el componente del campo magnético en el campo óptico cercano se puede aprovechar para lograr resultados imprevistos'.

Pan y Xu están entre los primeros en introducir un método óptico confiable para preparar electrones de giro en un entorno de laboratorio. En el futuro, su enfoque podría adaptarse y ser utilizado por otros equipos de investigación para crear haces de electrones polarizados por giro, mientras que potencialmente también inspiraría el desarrollo de nuevos enfoques de computación cuántica que aprovechen tanto los giros de electrones como los fotones.

'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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