Nel famoso classico di Jules Verne 20, 000 leghe sotto i mari , l'iconico sottomarino Nautilus scompare nel Moskenstraumen, un enorme vortice al largo della costa della Norvegia. Nello spazio, le stelle girano intorno ai buchi neri; sulla terra, cicloni vorticosi, tornado e diavoli di polvere squarciano la terra.

Tutti questi fenomeni hanno una forma a vortice, che si trova comunemente in natura, dalle galassie al latte mescolato al caffè. Nel mondo subatomico, un flusso di particelle elementari o di energia si spirerà attorno ad un asse fisso come la punta di un cavatappi. Quando le particelle si muovono così, formano ciò che chiamiamo "raggi a vortice". Questi raggi implicano che la particella ha un momento angolare orbitale ben definito, che descrive la rotazione di una particella attorno a un punto fisso.

Così, i raggi di vortice possono darci nuovi modi di interagire con la materia, per esempio. maggiore sensibilità ai campi magnetici nei sensori, o generare nuovi canali di assorbimento per l'interazione tra radiazioni e tessuti nei trattamenti medici (es. radioterapia). Ma i fasci di vortice consentono anche nuovi canali nelle interazioni di base tra particelle elementari, promettendo nuove intuizioni sulla struttura interna di particelle come i neutroni, protoni o ioni.

La materia mostra la dualità onda-particella. Ciò significa che gli scienziati possono fare in modo che particelle massicce formino fasci di vortici semplicemente modulando la loro funzione d'onda. Questo può essere fatto con un dispositivo chiamato "maschera di fase passiva, " che può essere pensato come un ostacolo in piedi nel mare. Quando le onde del mare si infrangono su di esso, la loro "ondosità" si sposta e formano vortici. I fisici hanno utilizzato il metodo della maschera di fase passiva per creare fasci a vortice di elettroni e neutroni.

Ma ora, scienziati del laboratorio di Fabrizio Carbone all'EPFL hanno dimostrato che è possibile utilizzare la luce per torcere dinamicamente la funzione d'onda di un singolo elettrone. Sono stati in grado di generare un fascio di elettroni a vortice ultracorto e di commutare attivamente la sua vorticità sull'attosecondo (10 ^-18 secondi) tempi.

Per fare questo, il team ha sfruttato una delle regole fondamentali che governano l'interazione delle particelle a livello di nanoscala:la conservazione dell'energia e della quantità di moto. Ciò significa che la somma delle energie, le masse e le velocità di due particelle prima e dopo la loro collisione devono essere le stesse. Questo vincolo fa sì che un elettrone acquisisca momento angolare orbitale durante la sua interazione con un campo luminoso preparato ad hoc, cioè un plasmone chirale.

In termini sperimentali, gli scienziati hanno sparato polarizzato circolarmente, impulsi laser ultracorti attraverso un nano-foro in una pellicola metallica. Ciò ha indotto un forte, campo elettromagnetico localizzato (il plasmone chirale), e i singoli elettroni sono stati fatti interagire con esso. Gli scienziati hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce per monitorare i profili di fase risultanti degli elettroni. Quello che hanno scoperto è che durante l'interazione degli elettroni con il campo, la funzione d'onda degli elettroni ha assunto una modulazione chirale, un movimento destro o sinistro la cui "mano" può essere controllata attivamente regolando la polarizzazione degli impulsi laser.

"Ci sono molte applicazioni pratiche da questi esperimenti, ", afferma Fabrizio Carbone. "I fasci di elettroni a vortice ultraveloci possono essere utilizzati per codificare e manipolare informazioni quantistiche; il momento angolare orbitale degli elettroni può essere trasferito agli spin dei materiali magnetici per controllare la carica topologica in nuovi dispositivi per l'archiviazione dei dati. Ma ancora più intrigante, l'uso della luce per torcere dinamicamente le onde della materia offre una nuova prospettiva nella formazione di protoni o fasci di ioni come quelli utilizzati nella terapia medica, possibilmente consentendo nuovi meccanismi di interazione radiazione-materia che possono essere molto utili per le tecniche di ablazione tissutale selettiva".