In de beroemde klassieker van Jules Verne 20, 000 mijlen onder de zee , de iconische onderzeeër Nautilus verdwijnt in de Moskenstraumen, een enorme draaikolk voor de kust van Noorwegen. In de ruimte, sterren draaien rond zwarte gaten; op aarde, wervelende cyclonen, tornado's en stofduivels scheuren over het land.

Al deze verschijnselen hebben een vortexvorm, die veel voorkomt in de natuur, van sterrenstelsels tot melk geroerd in koffie. In de subatomaire wereld, een stroom van elementaire deeltjes of energie zal als de punt van een kurkentrekker om een ​​vaste as draaien. Als deeltjes zo bewegen, ze vormen wat we 'vortexbundels' noemen. Deze bundels impliceren dat het deeltje een goed gedefinieerd baanimpulsmoment heeft, die de rotatie van een deeltje rond een vast punt beschrijft.

Dus, vortexstralen kunnen ons nieuwe manieren geven om met materie om te gaan, bijv. verbeterde gevoeligheid voor magnetische velden in sensoren, of het genereren van nieuwe absorptiekanalen voor de interactie tussen straling en weefsel bij medische behandelingen (bijvoorbeeld radiotherapie). Maar vortexbundels maken ook nieuwe kanalen mogelijk in basisinteracties tussen elementaire deeltjes, veelbelovende nieuwe inzichten in de innerlijke structuur van deeltjes zoals neutronen, protonen of ionen.

Materie vertoont golf-deeltjes dualiteit. Dit betekent dat wetenschappers massieve deeltjes vortexbundels kunnen laten vormen door simpelweg hun golffunctie te moduleren. Dit kan worden gedaan met een apparaat dat een "passief fasemasker" wordt genoemd, " wat kan worden gezien als een staand obstakel in de zee. Wanneer golven op zee er tegenaan botsen, hun "golf-heid" verschuift en ze vormen draaikolken. Natuurkundigen hebben de passieve fasemaskermethode gebruikt om vortexbundels van elektronen en neutronen te maken.

Maar nu, wetenschappers van het laboratorium van Fabrizio Carbone bij EPFL hebben aangetoond dat het mogelijk is om licht te gebruiken om de golffunctie van een individueel elektron dynamisch te verdraaien. Ze waren in staat om een ​​ultrakorte vortex-elektronenstraal te genereren en de vorticiteit ervan actief te veranderen op de attoseconde (10 ^-18 seconden) tijdschaal.

Om dit te doen, het team maakte gebruik van een van de fundamentele regels voor de interactie van deeltjes op nanoschaalniveau:behoud van energie en momentum. Wat dit betekent is dat de som van de energieën, massa's en snelheden van twee deeltjes voor en na hun botsing moeten hetzelfde zijn. Deze beperking zorgt ervoor dat een elektron een baanimpulsmoment krijgt tijdens zijn interactie met een ad hoc voorbereid lichtveld, d.w.z. een chiraal plasmon.

In experimentele termen, de wetenschappers vuurden circulair gepolariseerd, ultrakorte laserpulsen door een nanogat in een metalen film. Dit veroorzaakte een sterke, gelokaliseerd elektromagnetisch veld (het chirale plasmon), en individuele elektronen werden gemaakt om ermee te interageren. De wetenschappers gebruikten een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop om de resulterende faseprofielen van de elektronen te volgen. Wat ze ontdekten was dat tijdens de interactie van de elektronen met het veld, de golffunctie van de elektronen kreeg een chirale modulatie, een rechts- of linkshandige beweging waarvan de "handigheid" actief kan worden gecontroleerd door de polarisatie van de laserpulsen aan te passen.

"Er zijn veel praktische toepassingen van deze experimenten, ", zegt Fabrizio Carbone. "Ultrasnelle vortex-elektronenstralen kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie te coderen en te manipuleren; het orbitale impulsmoment van de elektronen kan worden overgedragen op de spins van magnetische materialen om de topologische lading in nieuwe apparaten voor gegevensopslag te regelen. Maar nog intrigerender, het gebruik van licht om materiegolven dynamisch te verdraaien biedt een nieuw perspectief bij het vormen van protonen of ionenbundels zoals die worden gebruikt in medische therapie, mogelijk nieuwe interactiemechanismen tussen straling en materie mogelijk maken die zeer nuttig kunnen zijn voor selectieve weefselablatietechnieken."