近代物理所电子涡旋束流研究取得进展

近日，中国科学院近代物理研究所科研人员通过电子云概念以及洛伦兹变换性质，研究电子涡旋束流的角动量性质，并结合不同外电场、磁场首次提出操纵电子涡旋束流及其角动量的方法。

自旋是微观粒子的一种内禀属性，而对于轨道角动量的研究揭示出微观粒子具有其他的奇特性质。电子涡旋束流是热门的研究问题，该类电子最大的特点是其波函数具有非常特殊的相因子，并由此存在一类特殊的轨道角动量——内禀轨道角动量（intrinsic OAM），其方向与电子运动的角动量方向相同。与其他研究方法不同的是，该项工作运用电子云概念首次研究涡旋电子束流在电场、磁场中的动力学问题，得出正确的角动量进动方程，并提出3种操纵电子涡旋束流及其角动量的方法。

（1）分离角动量不同的电子涡旋束流。

由于电子轨道角动量与电子磁矩具有一一对应关系，因此在外磁场中，磁场将对轨道角动量产生力的效果。对于角动量不同的电子束流，在纵向磁场（BL）中将获得不同的加速效果，使得相应的电子束流具有不同的速度。由此可以利用速度选择器选择实际研究需要的具有特定角动量的电子束流，如下图。

（2）利用电磁场冻结内禀轨道角动量，保持角动量的螺旋性不变。

电子涡旋束流的螺旋性可以通过内禀轨道角动量的进动频率和电子束流的回旋频率来调节。当两种频率相同时，内禀轨道角动量的螺旋性保持不变。一般来讲，在只有磁场的条件下回旋频率是进动频率的两倍，因此束流的螺旋性不能够保持不变。但电场与磁场同时存在且满足一定条件时，进动频率与回旋频率可以相同。以此可以控制电子束流的方向，同时保持束流的内禀角动量。

（3）反转内禀轨道角动量。

电子涡旋束流的内禀轨道角动量反转可以由电子自旋的反转原理实现，即由磁共振现象实现。在磁共振现象中，两者的差别仅在于外加磁场频率的不同。

研究人员指出，电子涡旋束流相关性质的研究可以推广到正电子或强子的涡旋性质研究。相关的操纵方法可以广泛应用于原子物理、材料物理以及高能核物理的相关研究。

研究工作得到了国家自然科学基金委的支持。相关研究成果发表在《物理评论快报》上。

电子涡旋束流中具有不同内禀角动量的电子在速度选择器中获得不同的偏转。