用于将电子塑造成具有质量和电荷的手性线圈的实验装置示意图。资料来源:方一奇博士，康斯坦茨大学编辑

　　Ko大学的物理学家Nstanz发现了一种方法，可以将一种以前看不见的几何形式的手性标记出来利用激光进入电子，产生质量和电荷的手性线圈。

　　这一在操纵电子手性方面的突破对量子光学、粒子物理和电子显微镜具有巨大的意义，为新的科学探索和技术创新铺平了道路。

　　理解手性及其意义

　　你有没有把你的右手手掌放在你的左手手背上，这样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右手拇指不会碰到左手拇指。无论是旋转、平移还是它们的组合都不能把左手变成右手，反之亦然。这个特征叫做手性。

　　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质量和电荷的左旋或右旋线圈。这种具有手性几何而非自旋的工程基本粒子不仅对基础物理学有影响，而且对量子光学、粒子物理学或电子显微镜等一系列应用也很有用。

　　该研究的通讯作者、康斯坦茨大学光与物质研究小组的负责人彼得·鲍姆(Peter Baum)说:“我们正在为以前从未考虑过的科学研究开辟新的潜力。”

　　手性的单颗粒和复合材料

　　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1 / 2，因此经常以两种可能的状态存在:右手态和左手态。量子力学的这个基本方面产生了许多重要的现实世界现象，比如几乎所有的磁现象或元素周期表。电子自旋对量子计算机或超导体等先进技术的发展也至关重要。

　　然而，也有复合手性对象，其中没有任何成分本身是手性的。例如，我们的手是由没有特定手性的原子组成的，但正如我们前面所学到的，它仍然是一个手性物体。对于许多不需要任何手性成分就能产生手性的分子也是如此。一个分子的左旋或右旋几何结构可以区分治疗药物和有害物质——由于它们不同的三维几何结构，这两种形式的分子具有非常不同的生物效应。

　　在材料科学和纳米光子学中，手性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。控制和操纵由非手性成分组成的复合材料的手性的能力因此提供了一个丰富的旋钮来调整材料的性质，以满足应用的需要。

　　电子操纵技术的进展

　　从电荷和质量的角度来看，是否有可能将单个电子塑造成一个手性三维物体?换句话说:不需要自旋就能诱导电子产生手性吗?到目前为止，研究人员只是沿着螺旋轨迹移动电子，或者创造出电子涡旋束，在涡旋束中，德布罗意波的相位以恒定的电荷和质量围绕光束中心旋转。相比之下，康斯坦茨大学的物理学家们在《科学》杂志上发表的手性物质波具有平坦的德布罗意波，但电荷和质量的期望值却形成了手性形式。

　　为了制造这个物体，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，然后通过与螺旋电场的精确调制激光波相互作用，将其塑造成手性模式。通常，在这样的实验中，电子和激光光子不会相互作用，因为能量和动量不能守恒。然而，氮化硅膜对电子是透明的，但改变了激光的相位，促进了实验中的相互作用。

　　在激光波的螺旋电场加速或减速进入的电子围绕光束的中心，取决于方位位置。随后，在束流中，加速或减速的电子最终相互赶上，波函数转变为质量和电荷的手性线圈。“然后我们使用阿秒电子显微镜获得电子期望值的详细层析测量，也就是说，在空间和时间某处的概率，”Baum说，解释他们测量生成形状的方法。实验中出现了左、右、单、双线圈。不需要自旋、角动量或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粒子放入电子显微镜中，并使用手性电子线圈来测量散射动力学。根据研究人员是将左手电子发射到右手纳米光子物体上，还是相反，结果显示出建设性或破坏性的旋转干涉现象。从某种意义上说，整体手性从未消失。

　　一个充满可能性的全新世界

　　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，经过改造的手性电子束可用于手性电子光镊、手性传感器技术、量子电子显微镜，或用于探测和创造原子或纳米结构材料的旋转运动。此外，他们将有助于一般粒子物理和量子光学。

　　“虽然到目前为止我们只调制了电子，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。还有哪些基本粒子具有或能够具有这样的手性形状?是否存在可能的宇宙学结果?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，以便进一步阐明手性光和手性物质波之间复杂的相互作用，以便在未来的技术中应用。

　　参考文献:“具有手性质量和电荷的结构电子”，作者:Yiqi Fang, Joel Kuttruff, David Nabben和Peter Baum, 2024年7月11日，Science。DOI: 10.1126 / science.adp9143

　　Peter Baum教授领导着康斯坦茨大学物理系的光与物质研究小组。他的团队最近被授予赫尔姆霍兹基础研究奖，以表彰他们开发了一种创新的阿秒显微镜技术。

　　资助:德国研究基金会(DFG);SFB 1432)和Dr. K. H. Eberle基金会