您是否曾将左手掌放在右手背上，使所有手指指向同一方向?如果是，那么您可能知道左手拇指不会碰到右手拇指。无论是旋转、平移还是两者的组合都无法将左手变成右手，反之亦然。这一特征称为手性。

康斯坦茨大学的科学家现在已经成功地将这种三维手性印刻到单个电子的波函数上。他们使用激光将电子的物质波塑造成左旋或右旋的质量和电荷线圈。这种具有除其固有自旋之外的手性几何形状的工程基本粒子对基础物理学有影响，但也可能对一系列应用有用，例如量子光学、粒子物理学或电子显微镜。“我们正在为以前从未考虑过的科学研究开辟新的潜力，”该研究的通讯作者、康斯坦茨大学光与物质研究小组负责人彼得鲍姆说。

单个粒子和复合材料的手性

手性物体在自然和技术中起着至关重要的作用。在基本粒子领域，最重要的手性现象之一是自旋，它通常被比作粒子的自转，但实际上它是一种纯粹的量子力学性质，没有经典的类似物。例如，电子的自旋为二分之一，因此通常存在于两种潜在状态：右旋和左旋。量子力学的这一基本方面产生了许多重要的现实世界现象，例如几乎所有的磁现象或元素周期表。电子自旋对于量子计算机或超导体等先进技术的发展也至关重要。

然而，也存在复合手性物体，其中没有任何成分本身是手性的。例如，我们的手是由没有特定手性的原子组成的，但正如我们之前所了解的那样，它仍然是手性物体。对于许多不需要任何手性成分即可出现手性的分子来说也是如此。分子是左手性还是右手性几何形状可以区分治疗药物和有害物质——由于其不同的三维几何形状，这两种类型可能会产生非常不同的生物学效应。在材料科学和纳米光子学中，手性会影响磁性材料和超材料的行为，从而导致拓扑绝缘体或手性二色性等现象。因此，控制和操纵由非手性成分组成的复合材料的手性的能力提供了丰富的旋钮来根据应用需要调整材料的特性。

如何将几何手性引入单个电子

是否有可能将单个电子塑造成电荷和质量方面的手性三维物体?换句话说：是否可以在不需要自旋的情况下将手性引入电子中?到目前为止，研究人员仅沿螺旋轨迹移动电子，或创建电子涡旋束，其中德布罗意波的相位在恒定电荷和质量下围绕光束中心旋转。相比之下，康斯坦茨物理学家在其《科学》论文中报告的手性物质波物体具有平坦的德布罗意波，但电荷和质量的期望值被塑造成手性形式。

为了制作这个物体，他们使用了超快透射电子显微镜，并将其与激光技术相结合。研究人员首先产生飞秒电子脉冲，然后通过与具有螺旋电场的精确调制激光波相互作用，将其塑造成手性图案。通常，电子和激光光子在这样的实验中不会相互作用，因为能量和动量无法守恒。然而，氮化硅膜对电子来说是透明的，但会改变激光的相位，这促进了实验中的相互作用。

激光波中的螺旋电场根据方位角位置，加速或减速光束中心周围的入射电子。在光束的后期，加速或减速的电子最终会相互追赶，波函数会转变为质量和电荷的手性线圈。“然后我们使用阿秒电子显微镜对电子的期望值进行详细的断层扫描测量，即在空间和时间中某处的概率，”鲍姆说，解释了他们测量生成形状的方式。实验中出现了右旋或左旋的单线圈或双线圈。产生这种纯几何手性既不需要自旋，也不需要角动量，也不需要螺旋轨迹。

为了研究三维电子线圈与其他手性材料的相互作用是否会保留手性，研究人员将具有手性电磁场的金纳米粒子放入电子显微镜中，并使用手性电子线圈测量散射动力学。根据研究人员是向右手性纳米光子物体发射左手电子还是反之，结果显示出建设性或破坏性的旋转干涉现象。从某种意义上说，整体手性从未消失。

充满可能性的全新世界

将电子塑造成具有质量和电荷的手性线圈的能力为科学探索和技术创新开辟了新途径。例如，经过设计的手性电子束可用于手性电子光镊、手性传感器技术、量子电子显微镜或用于探测和创造原子或纳米结构材料中的旋转运动。此外，它们还将为一般粒子物理学和量子光学做出贡献。

“尽管我们迄今为止只调制了电子，这是最简单的基本粒子之一，但这种方法是通用的，适用于几乎所有粒子或物质波。还有哪些其他基本粒子具有或可以具有这种手性形状，这是否可能产生宇宙学后果?”鲍姆说。研究人员的下一步是将他们的手性电子用于阿秒电子成像和双电子显微镜，以进一步阐明手性光和手性物质波之间复杂的相互作用，以应用于未来的技术。