Une méthode optique pour polariser les électrons libres dans un cadre de laboratoire

2 juin 2023 fonctionnalité

Cet article a été examiné selon le processus éditorial et les politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en évidence les attributs suivants tout en assurant la crédibilité du contenu :

• vérifié par les faits
• publication avec évaluation par les pairs
• source de confiance
• épreuves de lecture

par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les électrons polarisés sont des électrons dont les spins ont une orientation « préférée » ou sont orientés de manière préférentielle dans une direction spécifique. La réalisation de ces électrons a des implications remarquables pour la recherche en physique, car cela peut ouvrir la voie à la création de matériaux prometteurs et permettre de nouvelles expériences. 

Des chercheurs de l'université normale de Chine de l'Est et de l'académie des sciences de Henan ont récemment introduit une nouvelle méthode pour polariser les électrons libres en laboratoire à l'aide de techniques optiques de champ proche, qui implique l'application de faisceaux lumineux d'un dispositif optique positionné près de l'échantillon. Leur article, publié dans Physical Review Letters, pourrait ouvrir de nouvelles possibilités intéressantes pour la physique des hautes énergies, le développement de la technologie quantique et la science des matériaux.

« L'idée initiale de cette étude a germé il y a deux ans alors que j'étais chercheur postdoctoral dans le groupe du professeur Francisco Javier Garcia de Abajo, connu pour ses travaux théoriques sur les excitations optiques dans les faisceaux d'électrons », a déclaré à Phys.org Deng Pan, l'un des chercheurs ayant mené l'étude. « Depuis lors, le domaine de la microscopie électronique induite par photon à champ proche (PINEM) a pris de l'ampleur, émergeant comme un sujet important en microscopie électronique. »

La PINEM est une technique de microscopie prometteuse qui pourrait permettre aux chercheurs de manipuler les propriétés quantiques des électrons, ce qui pourrait potentiellement révéler de nouveaux mécanismes de calcul quantique qui reposent sur des électrons libres. Les travaux antérieurs ont principalement cherché à utiliser cette technique pour manipuler les orbitales et les moments des électrons. Dans leur étude, Pan et son collègue Hongxing Xu ont cherché à explorer son utilisation potentielle pour polariser les électrons libres.

« J'ai commencé à me demander si une approche similaire pourrait être utilisée pour modifier l'état de spin des électrons ou même polariser les faisceaux d'électrons », a déclaré Pan. « En discutant avec plusieurs experts en théorie du faisceau d'électrons, la plupart d'entre eux ont estimé qu'un tel effet était indétectable, étant donné que le champ magnétique dans le champ électromagnétique est considérablement plus faible que la composante de champ électrique. Par conséquent, il était à la fois surprenant et inattendu que mes calculs aient finalement démontré l'effet de polarisation électronique substantiel dans le champ proche optique. »

La méthode optique introduite par Pan et Xu s'inspire de la PINEM, car elle repose sur une approche similaire. Les chercheurs ont utilisé un réseau de nanofils (c'est-à-dire une nanostructure périodique) avec une constante de réseau soigneusement choisie. Leur conception a assuré une correspondance de champ proche entre la vitesse d'électrons d'entrée et la structure, garantissant une forte interaction entre eux.

« Il y a une différence fondamentale entre ma proposition et le schéma PINEM », a expliqué Pan. « L'effet PINEM est induit par la composante de champ électrique parallèle au faisceau d'électrons. En revanche, nous avons utilisé un champ proche électrique transversal (TE), qui possède uniquement le champ électrique perpendiculaire au faisceau d'électrons. Pourquoi avons-nous opté pour ce champ proche TE ? La réponse est étroitement liée à un autre sujet fascinant en nanophotonique connu sous le nom de moment angulaire de spin transversal ou interaction spin-orbite en champ proche optique. »

Le champ proche TE appliqué par les chercheurs a un champ magnétique polarisé circulairement. Par conséquent, il peut être utilisé pour manipuler les spins des électrons, tout comme d'autres champs peuvent être utilisés pour contrôler les spins quantiques.

« Un faisceau d'électrons de spin s'avère être un outil inestimable pour étudier les matériaux magnétiques et la physique des hautes énergies, entre autres domaines », a déclaré Pan. « Notre recherche met également en lumière la réalisation que, bien que plus faible en comparaison avec la composante de champ électrique, la composante de champ magnétique dans le champ proche optique peut être exploitée pour atteindre des résultats inattendus. »

Pan et Xu font partie des premiers à introduire une méthode optique fiable pour préparer des électrons de spin en laboratoire. À l'avenir, leur approche pourrait être adaptée et utilisée par d'autres équipes de recherche pour créer des faisceaux d'électrons polarisés en spin, tout en inspirant potentiellement le développement de nouvelles approches de calcul quantique qui tirent parti à la fois des spins des électrons et des photons.

'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

© 2023 Science X Network