De laser helpt het elektron in een spoel van massa en lading te veranderen

Met behulp van een laser werd het elektron omgezet in een spiraalvormige golf van massa en lading.

‘Chiraliteit, of handigheid, is een interessant en nog steeds deels raadselachtig kenmerk van ons universum’, zegt Peter Baum van de Universiteit van Konstanz in Duitsland. Chirale objecten, zoals spoelen of L-vormige blokken, zijn er in links- of rechtshandige vormen; niet-chirale lijnen, zoals cirkels of rechte lijnen, werken niet. Veel moleculen en materialen zijn van nature chiraal, en of ze nu rechtshandig of linkshandig zijn, verandert de manier waarop ze functioneren. Maar Baum en zijn collega’s bedachten een manier om chiraliteit toe te voegen aan iets heel kleins en elementairs: een enkel elektron.

Elektronen zijn kwantumobjecten, dus vertonen ze deeltjesachtig en golfachtig gedrag, afhankelijk van het experiment. In deze maakten de onderzoekers gebruik van de golving van het elektron. Eerst creëerden ze een extreem snelle elektronenpuls en lieten deze vervolgens door dunne keramische membranen gaan, waar de deeltjes een speciale laserstraal tegenkwamen. De straal had de vorm van een wervelende lichtvortex en droeg als resultaat een soortgelijk gevormd elektromagnetisch veld. Dit veld beïnvloedde de golffunctie, of golfeigenschappen, van elk elektron dat er doorheen ging.

Ten slotte ontdekten de onderzoekers deze gemanipuleerde elektronen en berekenden ze ‘verwachte waarden’ voor de massa en lading van elk ervan – waar je in het universum hoogstwaarschijnlijk hoeveelheden zou meten die niet nul zijn voor beide eigenschappen. Deze ruimtes vormden vormen: driedimensionale spoelen die duidelijk links of rechts waren.

Ben McMorran van de Universiteit van Oregon, die aan eerdere experimenten werkte om chirale elektronenspoelen te maken, zegt dat het nieuwe werk “een zeer geavanceerde vooruitgang is van de stand van de techniek op het gebied van elektronenvorming.” Het team demonstreerde nauwkeurige controle over hun spiraalvormige elektronen, wat van cruciaal belang zal zijn voor het gebruik van de deeltjes in toepassingen zoals beeldvorming of het controleren van bestaande materialen, zegt hij.

Baum en zijn collega’s hebben al bevestigd dat het afvuren van een linkshandige elektronenspoel op een rechtshandige gouden nanostructuur een ander afketspatroon produceert dan wanneer het afvuren op een linkshandige structuur. Dit opent de deur voor het gebruik van dergelijke spoelen om selectief in te werken op chirale delen van chemische verbindingen of elektronische apparaten.

Nadat hij deze vreemde elektronen in het laboratorium had gecreëerd, zegt Baum nu nieuwsgierig te zijn of ze onafhankelijk in de natuur kunnen voorkomen. “We beginnen deze mogelijkheden te verkennen.”