En el famoso clásico de Julio Verne 20, 000 leguas de viaje submarino , el icónico submarino Nautilus desaparece en el Moskenstraumen, un enorme remolino frente a la costa de Noruega. En el espacio, las estrellas giran en espiral alrededor de los agujeros negros; en la tierra, ciclones arremolinados, tornados y remolinos de polvo arrasan la tierra.

Todos estos fenómenos tienen forma de vórtice, que se encuentra comúnmente en la naturaleza, de las galaxias a la leche mezclada con el café. En el mundo subatómico una corriente de partículas elementales o energía girará en espiral alrededor de un eje fijo como la punta de un sacacorchos. Cuando las partículas se mueven así, forman lo que llamamos "rayos de vórtice". Estos rayos implican que la partícula tiene un momento angular orbital bien definido, que describe la rotación de una partícula alrededor de un punto fijo.

Por lo tanto, Los rayos de vórtice pueden darnos nuevas formas de interactuar con la materia, p.ej. sensibilidad mejorada a los campos magnéticos en los sensores, o generar nuevos canales de absorción para la interacción entre la radiación y el tejido en tratamientos médicos (por ejemplo, radioterapia). Pero los haces de vórtice también permiten nuevos canales en interacciones básicas entre partículas elementales, prometedores nuevos conocimientos sobre la estructura interna de partículas como los neutrones, protones o iones.

La materia exhibe dualidad onda-partícula. Esto significa que los científicos pueden hacer que partículas masivas formen haces de vórtice simplemente modulando su función de onda. Esto se puede hacer con un dispositivo llamado "máscara de fase pasiva, "que se puede considerar como un obstáculo permanente en el mar. Cuando las olas en el mar chocan contra él, su "ondulación" cambia y forman remolinos. Los físicos han estado utilizando el método de la máscara de fase pasiva para producir haces de vórtice de electrones y neutrones.

Pero ahora, Los científicos del laboratorio de Fabrizio Carbone en EPFL han demostrado que es posible usar la luz para torcer dinámicamente la función de onda de un electrón individual. Fueron capaces de generar un haz de electrones de vórtice ultracorto y cambiar activamente su vorticidad en el attosegundo (10 ^-18 segundos) escala de tiempo.

Para hacer esto, el equipo aprovechó una de las reglas fundamentales que gobiernan la interacción de partículas en el nivel de nanoescala:la conservación de la energía y el momento. Lo que esto significa es que la suma de las energías, las masas y velocidades de dos partículas antes y después de su colisión deben ser las mismas. Esta restricción hace que un electrón gane momento angular orbital durante su interacción con un campo de luz preparado ad hoc, es decir, un plasmón quiral.

En términos experimentales, los científicos dispararon circularmente polarizados, Pulsos de láser ultracortos a través de un nanoagujero en una película metálica. Esto indujo un fuerte, campo electromagnético localizado (el plasmón quiral), y se hizo que los electrones individuales interactuaran con él. Los científicos utilizaron un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida para controlar los perfiles de fase resultantes de los electrones. Lo que descubrieron fue que durante la interacción de los electrones con el campo, la función de onda de los electrones adquirió una modulación quiral, un movimiento para diestros o zurdos cuya "mano izquierda" puede controlarse activamente ajustando la polarización de los pulsos láser.

"Hay muchas aplicaciones prácticas de estos experimentos, ", dice Fabrizio Carbone." Los haces de electrones de vórtice ultrarrápidos se pueden utilizar para codificar y manipular información cuántica; El momento angular orbital de los electrones se puede transferir a los espines de los materiales magnéticos para controlar la carga topológica en nuevos dispositivos de almacenamiento de datos. Pero aún más intrigante, El uso de la luz para torcer dinámicamente las ondas de la materia ofrece una nueva perspectiva en la formación de protones o haces de iones, como los que se utilizan en la terapia médica. posiblemente permitiendo nuevos mecanismos de interacción radiación-materia que pueden ser muy útiles para técnicas de ablación selectiva de tejidos ".