Закрученные частицы отличаются от обычных тем, что форма их волнового фронта напоминает винт мясорубки или спираль штопора. Они перспективны для анализа структуры материалов в электронной микроскопии и передачи информации.
Обычно закрученную структуру частицам придают с помощью специальных дифракционных решеток, через которые пропускают поток частиц. Сложность этого метода в том, что с увеличением энергии частиц размер такой решетки (ее период) становится очень маленьким и ее практически невозможно изготовить. Поэтому дифракционный метод трудно реализовать на современных ускорителях частиц и ионов.
В ИТМО придумали принципиально новый способ, как проще и быстрее придавать закрученную структуру атомам. Для этого ученые рассчитали, как волновая функция фотона (то есть ее закрученная структура) взаимодействует с электроном в водородоподобном атоме: оказалось, при поглощении такого фотона атом перенимает его закрученную структуру.
«Поскольку квантовое состояние света — это некоторая информация, то при любом взаимодействии света без потерь с некой системой эта информация должна сохраниться. Мы выяснили, что если передача этой информации невозможна электрону напрямую, то почти вся информация, которая была сохранена в фотоне, переходит к центру масс атома. В перспективе наше исследование поможет лучше понять, как работают различные законы сохранения в процессах со структурированным светом — например, как квантовое состояние света преобразуется при поглощении фотона электроном в атоме, помещенным в ловушку, или как передается закрученность от фотона электрону в процессе его выбивания из вещества», — рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник физического факультета Станислав Батурин.
Станислав Батурин. Фото из личного архива автора
В будущем ученые планируют проверить свою теорию экспериментально на ускорителях частиц или на специальных установках для спектроскопии. Согласно расчетам, если однократно посветить лазером на поток атомов, часть из них обретет закрученную структуру. Метод потребует минимальной модификации — для этого нужно лишь немного переделать лазер.
Новый подход позволит быстро и просто создавать закрученные атомы для дальнейших исследований, а также поможет сделать первый шаг к систематическому описанию составных закрученных частиц. В дальнейшем ученые намерены адаптировать этот способ создания закрученных частиц и для других сложных объектов — например, протона.
Схема эксперимента. Схема предоставлена Станиславом Батуриным
