用于将电子塑造成质量和电荷的手性线圈的实验装置示意图。图片来源：Yiqi Fang博士，康斯坦茨大学

你有没有把左手的手掌放在右手的手背上，让所有的手指都指向同一个方向？如果你有，那么你可能知道你的左手拇指不会碰到右手拇指。旋转、平移或它们的组合都不能将左手变成右手，反之亦然。这种特征称为手性。

康斯坦茨大学的科学家们现在已经成功地将这种三维手性印在单个电子的波函数上。他们使用激光将电子的物质波塑造成左旋或右旋的质量和电荷线圈。这种具有手性几何形状的工程基本粒子，而不是它们的固有自旋，对基础物理学有影响，但也可能对一系列应用有用，如量子光学、粒子物理学或电子显微镜。

“我们正在为科学研究开辟以前从未考虑过的新潜力，”发表在《科学》杂志上的研究的通讯作者、康斯坦茨大学光与物质研究小组负责人彼得鲍姆说。

手性物体在自然和技术中起着至关重要的作用。在基本粒子领域，最重要的手性现象之一是自旋，它经常被比作粒子的自旋，但实际上是一种纯粹的量子力学性质，没有经典的类似物。

例如，一个电子的自旋为二分之一，因此通常以两种势态存在：右手和左手。量子力学的这一基本方面产生了许多重要的现实世界现象，如几乎所有的磁现象或元素周期表。电子自旋对于量子计算机或超导体等先进技术的发展也至关重要。

然而，也有一些复合手性物体，其中没有一个成分本身是手性的。例如，我们的手是由没有特定手性的原子组成的，但正如我们之前所了解的那样，它仍然是一个手性物体。对于许多不需要任何手性成分即可出现手性的分子也是如此。

分子是左旋的还是右旋的几何形状，都可以区分治疗药物和有害物质——由于它们不同的三维几何形状，这两种版本都可能具有非常不同的生物学效应。

在材料科学和纳米光子学中，手性会影响磁性材料和超材料的行为，导致拓扑绝缘体或手性二色性等现象。因此，控制和操纵由非手性成分组成的复合材料的手性的能力提供了一个丰富的旋钮，可以根据应用的需要调整材料的特性。

是否有可能在电荷和质量方面将单个电子塑造成手性三维物体？换句话说：手性可以在不需要自旋的情况下被诱导到电子中吗？到目前为止，研究人员只沿着螺旋轨迹移动电子或创建电子涡旋束，其中德布罗意波的相位以恒定的电荷和质量围绕束的中心旋转。

相比之下，康斯坦茨物理学家在他们的论文中报告的手性物质波物体具有平坦的德布罗意波，但电荷和质量的期望值被塑造成手性形式。

为了创造这个物体，他们使用了超快透射电子显微镜，并将其与激光技术相结合。研究人员首先产生飞秒电子脉冲，然后通过与具有螺旋电场的精确调制激光波相互作用，将它们塑造成手性图案。

通常，电子和激光光子在这样的实验中不会相互作用，因为能量和动量不能守恒。然而，氮化硅膜对电子是透明的，但会改变激光的相位，这促进了实验中的相互作用。

激光波中的螺旋电场加速或减速了光束中心周围的入射电子，具体取决于方位角位置。在光束的后期，加速或减速的电子最终相互追赶，波函数被转化为质量和电荷的手性线圈。

“然后，我们使用阿秒电子显微镜来获得电子期望值的详细断层扫描测量值，即在空间和时间中某处的概率，”Baum说，解释了他们测量生成形状的方式。实验中出现了右手或左手单线圈或双线圈。既不需要自旋、角动量，也不需要螺旋轨迹来产生这种纯粹的几何手性。

为了研究三维电子线圈与其他手性材料的相互作用是否会保持手性，研究人员将具有手性电磁场的金纳米颗粒放入电子显微镜中，并使用手性电子线圈测量散射动力学。根据研究人员是向右手纳米光子物体发射左旋电子还是相反，结果显示了建设性或破坏性的旋转干涉现象。从某种意义上说，整体的手性从未消失。

将电子塑造成质量和电荷的手性线圈的能力为科学探索和技术创新开辟了新的途径。例如，工程的手性电子束应该可用于手性电子光学镊子、手性传感器技术、量子电子显微镜或探测和产生原子或纳米结构材料中的旋转运动。此外，它们还将为一般粒子物理学和量子光学做出贡献。

“虽然到目前为止，我们只调制了电子，这是最简单的基本粒子之一，但这种方法是通用的，几乎适用于任何粒子或物质波。还有什么其他基本粒子具有或可以具有这样的手性形状，是否有可能的宇宙学后果？“鲍姆说。

研究人员的下一步是在阿秒电子成像和双电子显微镜中使用他们的手性电子，以进一步阐明手性光和手性物质波之间错综复杂的相互作用，以应用于未来的技术。

更多信息：Y. Fang 等人，具有手性质量和电荷的结构化电子，Science （2024）。DOI： 10.1126/science.adp9143.www.science.org/doi/10.1126/science.adp9143

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