Photoelectric Effect with a Twist

近期，天津大学量子交叉研究中心的Klavs Hansen教授与意大利Nova Gorica大学等多家单位合作，在光学顶级期刊《Nature Photonics》上发表了题为“Photoelectric Effect with a Twist”的论文。

光子是构成光的最小单元。光子带有角动量，其角动量大小为ħ，这里ħ是约化普朗克常数。这表明，光子要么以光的传播方向为轴左旋，要么以光的传播方向为轴右旋。因此，光具有偏振性。戴上一副带有偏振镜片的太阳镜观看手机屏幕，就能看到光的偏振效果。

通过以适当的方式将众多光子添加到光束中，可以获得一束带有轨道角动量的光。以这种方式获得的光束，其轨道角动量可以具有任意大小，其数值可以远远大于普朗克常数。在实验上，这样的光束可以通过将一些特殊的光学元件插入到激光光束中来获得，光束的轨道角动量可以在光的波前的运动中得到证实。

光的偏振会影响光与电荷的相互作用，这一相互作用在所有吸收光子和释放光子的过程中都存在。与此相反，要让光的轨道角动量与物质发生相互作用，尤其是与运动的电子发生相互作用，实现起来要困难得多。在本文的工作中，作者成功地实现了这一点。实验中使用了两束光，其中一束光为长波光束，且带有轨道角动量，另一束光则由高能光子构成。

两束光在充入氦气的腔体中相汇，高能光束将氦原子电离，使其失去一个电子，而具有轨道角动量的那束光则会改变电子的自旋。在固定住高能光束的偏振方向的同时使长波光束的轨道角动量反向，可以获得两种不同的实验配置。实验结果显示，在这两种配置下得到的电子速度分布是不同的。这一结果表明，利用带有轨道角动量的光束，有可能能够测量一些在通常情况下用光“看不到”的量子态。

本实验使用意大利Trieste的FERMI自由电子激光源完成。

论文链接：Nature Photonics, 14, 554-558(2020)

 实验装置的示意图。左侧的两幅插图是实验上测得的电子动量分布，右上方的插图是理论模拟的结果。