“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

2023| 前沿进展

02 研究背景

         自旋的离散取值是量子体系的基本特征，而“自旋的分离”曾由思特恩-盖拉赫在实验上被首次验证。在该实验中，银原子束通过一个梯度磁场，不同自旋取向的原子被磁场分离，最终在探测器上产生离散的条纹。电子是一种具有自旋为±1/2的基本粒子。产生自旋电子束对于材料磁性探测和高能物理中的粒子手性问题等方面的研究具有重要意义。

         能否将思特恩-盖拉赫实验直接应用于电子，以产生自旋电子束呢？泡利和波尔曾给出否定的答案，因为磁场对电流的作用导致粒子波包的弥散，从而电子的两个自旋分量始终在空间上相互重叠。既然静磁场无法对电子自旋分量产生分离效应，那么光场中交变的磁场用于产生自旋电子束呢？仅有的一些理论研究表明，在自由空间中，即使对于极强的入射光场（例如10²² W/cm²），由于电子-光子相互作用的动量失配，电子的偏振效应也非常微弱。

        与自由空间中的光子相比，光学近场中的光子具有较大的动量。因此，在光学近场中，光子的动量与自由电子相匹配，从而引发了强烈的非弹性散射现象。基于这种非弹性散射现象，研究人员发展出了光子诱导近场电子显微术（Photon-induced near-field electron microscopy，PINEM）的新技术，这一技术最近引起了广泛的前沿关注。最近的实验表明，在中等激光强度下，通过匹配电子速度和近场相速度，单个电子能够发射或吸收数百个光子。

03 研究创新点

        该团队创新性地提出，利用微纳光学近场与电子之间的巨大增强非弹性相互作用，实现对电子不同自旋分量的分离，从而为自旋电子束的产生提供了全新的方案。

        而上文介绍的PINEM技术是基于电子与沿其速度方向平行的电场分量之间的相互作用：电子受到交变电磁场的加速或减速作用，从而引起能量和动量的变化。

       与PINEM技术不同，该团队提出的方法依赖于光学近场与电子之间的角动量交换，以实现光场与电子自旋的相互作用。研究中考虑了电子束穿过一个TE偏振的光学近场的情况，如图1所示。

图1 光学近场诱导电子自旋分离过程的示意图

       当入射电子的能量为E₀且没有偏振时，非弹性散射过程中的电子会吸收或放出一个光子的能量E_p，从而使电子的能量状态分别变为E₀+E_p和E₀-E_p。需要指出的是，光学近场具有垂直于传播方向的自旋角动量。对于图1中的TE光学近场，其中沿着+z方向传播的分量，其旋光场具有沿+y方向的自旋。由于角动量守恒，处于E₀+E_p和E₀-E_p能量状态的电子的自旋分别与光场的电场分量（+y方向）平行或反平行（-y方向）。

        为了精确表示上述物理过程，该团队还建立了近场光子与自由电子相互作用的一般性理论。利用该理论，研究中首先计算了当忽略电子束衍射情况下电子的自旋动力学特征。如图2（a）和（b）所示。当入射电子的自旋平行于电磁场的角动量方向（+y方向）时（图2a，电子逐渐通过吸收光子而能量降低为E₀-E_p（图2b中的n=-1状态）。

       在该辐射过程中，电子的角动量会转移至光场，从而散射电子自旋方向发生反转（沿-y方向，图2b）。对于沿着+y方向的入射自旋，由于角动量守恒，电子无法释放近场光子。

       与上述情况不同，当入射电子自旋沿-y方向时（图2c），电子仅从光场吸收光子，同时其自旋反转至+y方向（图2d）。因此，当入射电子为无偏振时，散射至E₀+E_p 和E₀-E_p能量状态具有相反的自旋，可以被一个附加磁场在空间中分离，产生两束完全自旋偏振的电子束。

图2 电子束在光学近场中的自旋动力学计算结果

        在实际的实验条件中，电子束的衍射效应不可忽略。该团队中进一步更严格地计算考虑了电子的衍射效应。计算结果显示，在入射光强仅为10¹² W/cm²量级、长度仅为16微米级的光学近场中，可以产生强度为入射电子强度12%的自旋电子。

          该团队为制备自旋偏振的电子束提供了全新的机制和方案，对理解自由电子与光子的相互作用具有基础意义。这项研究的成果对于推动自旋电子束技术的发展具有重要意义，为未来在纳米尺度下进行精密操控和利用自旋电子提供了新的途径。

         该工作得到了国家自然科学基金和科技部国家重点研发计划等项目的支持。华东师范大学为第一单位，潘登研究员为论文第一作者兼通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.186901

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