I Jules Vernes berömda klassiker 20, 000 ligor under havet , den ikoniska ubåten Nautilus försvinner i Moskenstraumen, en enorm bubbelpool utanför Norges kust. I rymden, stjärnor spiral runt svarta hål; på jorden, virvlande cykloner, tornados och dammjäklar river över landet.

Alla dessa fenomen har en virvelform, som är vanligt förekommande i naturen, från galaxer till mjölk utrörd till kaffe. I den subatomära världen, en ström av elementära partiklar eller energi kommer att spiralera runt en fast axel som spetsen på en korkskruv. När partiklar rör sig så här, de bildar vad vi kallar "virvelstrålar". Dessa strålar antyder att partikeln har ett väldefinierat omloppsrörelsemängd, som beskriver en partikels rotation runt en fast punkt.

Således, virvelstrålar kan ge oss nya sätt att interagera med materia, t.ex. ökad känslighet för magnetfält i sensorer, eller generera nya absorptionskanaler för interaktionen mellan strålning och vävnad i medicinska behandlingar (t.ex. strålbehandling). Men virvelstrålar möjliggör också nya kanaler i grundläggande interaktioner mellan elementarpartiklar, lovande nya insikter om den inre strukturen hos partiklar som neutroner, protoner eller joner.

Materia uppvisar våg-partikeldualitet. Detta innebär att forskare kan få massiva partiklar att bilda virvelstrålar helt enkelt genom att modulera deras vågfunktion. Detta kan göras med en enhet som kallas en "passiv fasmask, " som kan ses som ett stående hinder i havet. När vågor på havet slår in i det, deras "vågighet" skiftar och de bildar virvlar. Fysiker har använt den passiva fasmaskmetoden för att göra virvelstrålar av elektroner och neutroner.

Men nu, forskare från Fabrizio Carbones labb vid EPFL har visat att det är möjligt att använda ljus för att dynamiskt vrida en individuell elektrons vågfunktion. De kunde generera en ultrakort virvelelektronstråle och aktivt växla dess virvel på attosekunden (10 ^-18 sekunder) tidsskala.

Att göra detta, teamet utnyttjade en av de grundläggande reglerna som styr interaktionen mellan partiklar på nanoskalanivå:energi- och momentumbevarande. Vad detta betyder är att summan av energierna, Massor och hastigheter för två partiklar före och efter deras kollision måste vara desamma. Denna begränsning gör att en elektron får orbital vinkelmomentum under dess interaktion med ett ad hoc-förberett ljusfält, dvs en kiral plasmon.

I experimentella termer, forskarna sköt cirkulärt polariserat, ultrakort laser pulserar genom ett nanohål i en metallisk film. Detta framkallade en stark, lokaliserat elektromagnetiskt fält (den kirala plasmonen), och individuella elektroner fick interagera med den. Forskarna använde ett ultrasnabbt transmissionselektronmikroskop för att övervaka de resulterande fasprofilerna för elektronerna. Vad de upptäckte var att under elektronernas interaktion med fältet, elektronernas vågfunktion antog en kiral modulering, en höger- eller vänsterhänt rörelse vars "handenhet" aktivt kan styras genom att justera laserpulsernas polarisering.

"Det finns många praktiska tillämpningar från dessa experiment, " säger Fabrizio Carbone. "Ultrasnabba virvelelektronstrålar kan användas för att koda och manipulera kvantinformation; elektronernas omloppsrörelsemängd kan överföras till spinn av magnetiska material för att kontrollera den topologiska laddningen i nya enheter för datalagring. Men ännu mer spännande, att använda ljus för att dynamiskt vrida materiavågor ger ett nytt perspektiv när det gäller att forma protoner eller jonstrålar som de som används i medicinsk terapi, möjligen möjliggöra nya interaktionsmekanismer mellan strålning och materia som kan vara mycket användbara för selektiva vävnadsablationstekniker."