No famoso clássico de Júlio Verne 20, 000 Ligas Submarinas , o icônico submarino Nautilus desaparece no Moskenstraumen, um enorme redemoinho na costa da Noruega. No espaço, estrelas espiralam em torno de buracos negros; na terra, ciclones rodopiantes, tornados e redemoinhos de poeira rasgam a terra.

Todos esses fenômenos têm uma forma de vórtice, que é comumente encontrado na natureza, das galáxias ao leite misturado ao café. No mundo subatômico, um fluxo de partículas elementares ou energia espiralará em torno de um eixo fixo como a ponta de um saca-rolhas. Quando as partículas se movem assim, eles formam o que chamamos de "feixes de vórtice". Esses feixes implicam que a partícula tem um momento angular orbital bem definido, que descreve a rotação de uma partícula em torno de um ponto fixo.

Assim, vigas de vórtice podem nos dar novas maneiras de interagir com a matéria, por exemplo. sensibilidade aprimorada a campos magnéticos em sensores, ou gerar novos canais de absorção para a interação entre a radiação e o tecido em tratamentos médicos (por exemplo, radioterapia). Mas os feixes de vórtice também permitem novos canais nas interações básicas entre as partículas elementares, promissores novos insights sobre a estrutura interna de partículas, como nêutrons, prótons ou íons.

A matéria exibe dualidade onda-partícula. Isso significa que os cientistas podem fazer partículas massivas formarem feixes de vórtice simplesmente modulando sua função de onda. Isso pode ser feito com um dispositivo chamado "máscara de fase passiva, "que pode ser considerado um obstáculo permanente no mar. Quando as ondas do mar se chocam contra ele, sua "condição de onda" muda e eles formam redemoinhos. Os físicos têm usado o método da máscara de fase passiva para fazer feixes de vórtice de elétrons e nêutrons.

Mas agora, cientistas do laboratório de Fabrizio Carbone na EPFL demonstraram que é possível usar a luz para torcer dinamicamente a função de onda de um elétron individual. Eles foram capazes de gerar um feixe de elétrons de vórtice ultracurto e alternar ativamente sua vorticidade no attossegundo (10 ^-18 segundos) escala de tempo.

Para fazer isso, a equipe explorou uma das regras fundamentais que regem a interação de partículas no nível nanoescala:conservação de energia e momento. O que isso significa é que a soma das energias, as massas e velocidades de duas partículas antes e depois de sua colisão devem ser as mesmas. Esta restrição faz com que um elétron ganhe momento angular orbital durante sua interação com um campo de luz preparado ad hoc, isto é, um plasmon quiral.

Em termos experimentais, os cientistas dispararam polarizados circularmente, laser ultracurto pulsa através de um nano-orifício em um filme metálico. Isso induziu um forte, campo eletromagnético localizado (o plasmon quiral), e elétrons individuais foram feitos para interagir com ele. Os cientistas usaram um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida para monitorar os perfis de fase resultantes dos elétrons. O que eles descobriram foi que durante a interação dos elétrons com o campo, a função de onda dos elétrons assumiu uma modulação quiral, um movimento destro ou canhoto cuja "destreza" pode ser ativamente controlada pelo ajuste da polarização dos pulsos de laser.

"Existem muitas aplicações práticas para esses experimentos, "diz Fabrizio Carbone." Feixes de elétrons de vórtice ultrarrápidos podem ser usados ​​para codificar e manipular informações quânticas; o momento angular orbital dos elétrons pode ser transferido para os spins de materiais magnéticos para controlar a carga topológica em novos dispositivos de armazenamento de dados. Mas ainda mais intrigante, usar a luz para torcer dinamicamente as ondas de matéria oferece uma nova perspectiva na formação de prótons ou feixes de íons, como os usados ​​na terapia médica, possivelmente permitindo novos mecanismos de interação radiação-matéria que podem ser muito úteis para técnicas de ablação seletiva de tecido. "