扭曲的光线给电子带来旋转的动力

在一项新实验中，携带轨道角动量的光束使石墨烯中的电子获得（蓝色光束）和失去（红色光束）角动量，并将它们传输到样品中，产生了研究人员测量到的电流。(图片来源：Mahmoud Jalali Mehrabad/JQI）

当你在海滩上捕捉阳光时，很难察觉到光的威力。光束不仅携带能量，还携带动量。这包括线性动量和轨道角动量，线性动量使飞驰的火车难以停下，而轨道角动量则是地球围绕太阳公转时所携带的动量。

在一篇新论文中，寻求控制光与物质之间量子相互作用的更好方法的科学家们展示了一种利用光给电子以旋转动力的新方法。他们于 2024 年 11 月 26 日在《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志上报告了他们的实验结果，该实验表明光束可以可靠地将轨道角动量传递给石墨烯中的巡回电子。

严格控制光与物质的相互作用方式是量子计算或量子传感等应用的基本要求。特别是，科学家们一直对如何哄骗电子对光束可能呈现的一些奇特形状做出反应很感兴趣。例如，携带轨道角动量的光在传播过程中会绕轴旋转。当正面观察时，带有轨道角动量的光束中间会出现一个黑点，这是光束的螺旋特性所形成的漩涡。

新论文的第一作者、JQI 和马里兰大学（UMD）的博士后研究员 Deric Session 说：”具有轨道角动量的光与物质的相互作用从上世纪 90 年代左右就开始被思考。”但真正能证明这种转移的实验却寥寥无几。

挑战的一部分是尺寸不匹配。为了让电子感受到携带动量的光束的牵引力，它们必须体验光束经过时的变化方式。在许多情况下，光束变化的长度会使研究人员有兴趣操纵的物质的尺寸相形见绌，这就使得挑出电子作为目标特别具有挑战性。

例如，原子及其轨道上的电子–量子物理实验的主体和最受欢迎的精确操纵目标–比研究人员用来与之互动的光束小大约 1000 倍。光以电场和磁场的重复波形式传播，光束在重复传播之前所经过的长度称为波长。光的波长除了是一个重要的尺寸特征外，还决定了单个光粒子（光子）所携带的能量大小。只有携带特定能量的光子才能与原子相互作用，而这些光子的波长往往比原子本身大得多。因此，虽然原子作为一个整体可以愉快地从这些光子中吸收能量和动量，但由于波长太大，原子的内部部分–原子核和电子–无法察觉到任何相对差异。因此，很难将轨道角动量完全转移到原子的电子上。

克服这一困难的方法之一是缩小光的波长。但这会增加每个光子所携带的能量，从而将原子排除在可靠目标之外。在新的实验中，研究人员（包括JQI研究员Mohammad Hafezi和Nathan Schine、JQI联合主任Jay Sau和JQI兼职研究员Glenn Solomon）采用了另一种方法：他们没有缩小光的波长，而是将电子膨胀起来，让它们占据更多空间。

束缚在原子核上的电子只能遨游那么远，然后就会从原子中解放出来，对实验毫无用处。但在导电材料中，电子有更大的自由空间，可以在受控制的情况下自由穿梭。研究人员转而研究石墨烯，这是一种扁平材料，是最著名的导电体之一，他们在寻找一种让电子占据更多空间的方法。

将石墨烯样品冷却到绝对零度以上 4 度，并将其置于强磁场中，通常可以自由移动的电子就会被困在称为回旋轨道的环路中。随着磁场越来越强，轨道也越来越紧，直到许多循环电子被紧紧挤在一起，再也挤不进去。虽然轨道很紧密，但它们仍然比原子中的电子轨道大得多–这正是让它们注意到携带轨道角动量的光的完美方法。

研究人员在实验中使用了用电极连接起来的石墨烯样品。一个电极位于样品的中间，另一个电极在外围形成一个环。早先的理论工作是由前 JQI 和 UMD 研究生曹斌以及新论文的其他三位作者于 2021 年完成的，他们认为，在这种样品中循环的电子可以从进入的光线中获得大块角动量，增大其轨道尺寸，并最终被电极吸收。

Session说：”我们的想法是，可以通过增加或减少电子的轨道角动量来改变回旋轨道的大小，从而有效地使电子穿过样品并产生电流。

在这篇新论文中，研究小组报告说，他们观察到了一种在各种实验条件下都能存活的强大电流。他们用携带顺时针轨道角动量的光照射石墨烯样品，观察到电流朝一个方向流动。然后，他们用携带逆时针轨道角动量的光照射石墨烯样品，发现电流的方向发生了变化。他们改变了外加磁场的方向，观察到电流的方向也发生了变化–这是意料之中的发现，因为改变磁场方向也会改变电子在回旋轨道中的流动方向。他们改变了内电极和外电极上的电压，继续观察到顺时针和逆时针涡旋光产生的电流存在相同的差异。他们还测试了向样品发送圆偏振光，发现这种光几乎不会产生任何电流。在所有情况下，信号都是明确的：只有携带轨道角动量的光线才会产生电流，而且电流的方向与光线携带顺时针还是逆时针旋转的动量相关。

这项成果是数年工作的结晶，其中包括在样品制作方面的一些错误做法，以及从实验中收集足够的良好数据方面的困难。

Session说：”我花了一年多的时间尝试制作具有这种几何形状的石墨烯样品。最终，Session 和团队找到了之前合作过的一个小组，该小组由意大利米兰理工大学的物理学家 Roman Sordan 领导，他是制备石墨烯样品的专家。”Sordan是意大利米兰理工大学的物理学家，也是制备石墨烯样品的专家。

一旦他们找到了效果良好的样品，他们仍然很难将扭曲的光线对准样品来观察电流。

JQI 和 UMD 的博士后研究员 Mahmoud Jalali Mehrabad 是这篇论文的共同作者。”然后有一天，我们和德里克一起开始进行空间扫描。我们以非常高的精度绘制了样本图。一旦我们做到了这一点–一旦我们确定了光束的峰值和优化位置–一切都开始变得有意义了。在一周左右的时间里，他们收集到了所需的全部数据，并能找出电流依赖于光束轨道角动量的所有信号。

梅赫拉巴德说，除了展示一种用光控制物质的新方法外，这项技术还可能对量子材料中的电子进行全新的测量。特殊制备的光束与干涉测量相结合，可以用作显微镜，对电子的空间范围进行成像–直接测量材料中电子的量子性质。

“能够测量自由电子的这些空间自由度，是以可控方式测量电子相干特性–并对其进行操控–的重要组成部分，”Mehrabad 说。”你不仅能探测，还能控制。这就像是所有这一切的圣杯”。

除了Session、Hafezi、Schine、Sau、Solomon、Cao、Sordan和Mehrabad之外，该论文还有其他几位作者：尼基尔-派坦卡尔（Nikil Paithankar），意大利米兰理工大学研究生；托比亚斯-格拉斯（Tobias Grass），前联合质量研究院博士后研究员，现为西班牙多诺什蒂亚国际物理中心研究员；克里斯蒂安-埃克哈特（Christian Eckhardt），德国汉堡马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所研究生；丹尼尔-古斯塔沃-苏亚雷斯-福雷罗（Daniel Gustavo Suárez Forero），前 JQI 博士后研究员，将于 2025 年开始担任马里兰大学巴尔的摩郡分校物理学助理教授；凯文-李（Kevin Li），前 JQI 和马里兰大学巴尔的摩郡分校本科生；穆罕默德-阿拉姆（Mohammad Alam），前 JQI 和马里兰大学巴尔的摩郡分校本科生，现就职于 IonQ；以及渡边健治和谷口隆（Takashi Taniguchi），均为日本筑波国立材料科学研究所研究员。

这项工作得到了 ONR N00014-20-1-2325、AFOSR FA95502010223、ARO W911NF1920181、MURI FA9550-19-1-0399、FA9550-22-1-0339、NSF IMOD DMR-2019444、ARL W911NF1920181、Simons 和 Minta Martin 基金会以及欧盟地平线 2020 项目石墨烯旗舰核心 3（资助协议编号 881603）的支持。托比亚斯-格拉斯感谢BBVA基金会（Beca Leonardo a Investigadores en Fisica 2023）和吉普斯夸省议会（QUAN-000021-01）的资助。

参考出版物

Optical pumping of electronic quantum Hall states with vortex light, D. Session, M. Jalali Mehrabad, N. Paithanker, T. Grass, C. Eckhardt, B. Cao, D. Gustavo Suarez Forero, K. Li, M. S. Alam, G. S. Solomon, N. Schine, J. Sau, R. Sordan, and M. Hafezi, Nature Photonics, 23, (2024)

DOI：https://doi.org/10.1038/s41566-024-01565-1