自旋的离散取值是量子体系的基本特征，而自旋的分离曾由思特恩-盖拉赫实验首次验证。在这个实验中，银原子束通过一个梯度磁场，不同自旋取向的原子被磁场分离，最终在探测器上产生离散的条纹。

电子是一种具有自旋为±1/2的基本粒子。自旋电子束对于材料磁性探测和高能物理中的粒子手性问题等方面的研究具有重要意义。目前，实验中产生自旋电子束的方法包括两种：一种是利用光电效应，将特殊材料能带中的自旋电子激发到自由空间中；另一种方法是无偏振的电子束在同步辐射过程中缓慢产生自旋偏振。然而，前者产生的自旋纯度较低，而后者则需要庞大而昂贵的设备。

能否将思特恩-盖拉赫实验直接应用于电子，以产生自旋电子束呢？泡利和波尔曾对这个问题给出否定的答案，因为磁场对电流的作用导致粒子波包的弥散，从而电子的两个自旋分量始终在空间上相互重叠。 既然静磁场无法对电子自旋分量产生分离效应，那么光场中交变的磁场用于产生自旋电子束呢？仅有的一些理论研究表明，在自由空间中，即使对于极强的入射光场（例如1022 W/cm2），由于电子-光子相互作用的动量失配，电子的偏振效应也非常微弱。

潘登研究员与徐红星院士合作提出了一种基于光学近场的全新物理机制，用于产生自旋电子束。他们的研究成果题为《Polarizing free electrons in optical near-fields》，已发表在著名学术期刊Phys. Rev. Lett.上。同时，Physics杂志以“Laser Creates Two Highly Polarized Electron Beams”为题对这项成果进行了亮点报道。在本项工作中，潘登研究员和徐红星院士提出可以利用光学近场中增大的光子动量来补偿相互作用的动量失配，从而实现对无自旋电子束的高效自旋分离。他们建立了光-电子相互作用的一般性理论。详细的计算结果显示，在入射光强仅为1012 W/cm2量级、长度仅为16微米级的光学近场中，入射电子束可以产生12%的自旋电子，这些自旋电子与入射电子具有不同的动能，可以通过附加的静磁场实现完全的空间分离。

这项工作为制备自旋偏振的电子束提供了全新的机制和方案，对理解自由电子与光子的相互作用具有基础意义，这项研究的成果对于推动自旋电子束技术的发展具有重要意义，为未来在纳米尺度下进行精密操控和利用自旋电子提供了新的途径。

图1：光控电子束自旋示意图：纳米线阵列在激光照射下产生光学近场。无偏振电子束在穿过该近场后，两个自旋偏振分离具有不同的能量，可以被磁场进一步分离。

来源：华东师范大学