Группа ученых Университета ИТМО и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) разработала теоретическую методику, которая позволяет определять степень и направление «закрученности» электронных и ионных пучков.  Метод может упростить изучение параметров частиц с высокой энергией в современных ускорителях, а также быть полезным для задач электронной и ионной микроскопии, где применяются вихревые пучки. Исследование, выполненное при поддержке Российского научного фонда, опубликовано в журнале Physical Review A.

^{Дифракция закрученных частиц. Изображение предоставлено учеными}

Изучение квантовых частиц с орбитальным угловым моментом (OУM), — перспективное направление физики. В таких состояниях пучок обладает особым профилем, называемым «закрученным». Он имеет спиралевидную форму и описывается целым числом ℓ: по его модулю судят о степени закрутки, а по знаку +ℓ или −ℓ — о ее направлении. Эти частицы могут играть большую роль в квантовых вычислениях, литографии и прецизионной диагностике веществ — анализе состава, структуры и свойств. Существующие сегодня методы диагностики применялись только в низких диапазонах энергий, они плохо адаптируются к высокоэнергетическим (релятивистским) пучкам в ускорителях. 

Руководитель группы ученых Нового физтеха Университета ИТМО Дмитрий Карловец предложил использовать волновое свойство частиц — дифракцию. Например, если пропустить закрученный пучок через круглое микроскопическое отверстие, то изображение на экране за ним будет нести «отпечаток» свойств частиц — симметричные концентрические кольца. Однако в этом случае можно определить степень закрутки пучка, но не его направление.

Исследователи использовали другое решение — треугольное отверстие. Его форма ломает осевую симметрию изображения. В итоге на экране появляется четкий узор из ярких точек, напоминающий треугольную решетку. Анализируя смещение и структуру этого узора, можно точно вычислить оба параметра: и степень закрученности, и направление пучков.

Ученые провели комплексное моделирование, которое подтвердило работоспособность метода не только для математически идеализированных пучков Бесселя, но и для физически реализуемых пучков Лагерра-Гаусса с винтовой структурой. В результате были созданы инструкции и формулы, позволяющие настроить экспериментальную установку Лаборатории ядерных проблем им. В.П. Джелепова ОИЯИ в Дубне: рассчитать необходимый размер треугольного отверстия, оптимальное расстояние до детектора и необходимое разрешение оборудования в зависимости от типа частиц (электроны, легкие ионы) и их энергии.

«Новизна нашей работы в том, что мы первые предложили метод детектирования “закрутки” электронов и ионов, который работает при высоких (релятивистских) энергиях. Раньше аналогичные подходы активно изучались для света — фотонов, или для электронов, но с низкой энергией. А в том диапазоне, где работают современные ускорители, не было простого способа определить параметры таких частиц. Наша методика заполняет эту пустоту. Мы диагностировали именно высокоэнергетические пучки, получение которых само по себе является сложной задачей», — рассказал инженер физического факультета и студент магистерской программы «Современные квантовые и нанофотонные системы» ИТМО Максим Максимов.

Метод достаточно прост в использовании: для его реализации не нужны сложные активные компоненты, понадобятся только апертуры с разными геометриями (устройства с отверстиями), а «считывать» параметры закрутки можно прямо с дифракционной картины. Кроме того, ученые разместили в своей статье готовые расчетные таблицы, которые позволяют адаптировать метод под конкретную установку.

Сейчас ученые ИТМО и ОИЯИ совместно готовят эксперимент по генерации закрученных пучков, где новая методика будет использоваться для их первичной диагностики. В перспективе метод может стать важным инструментом онлайн-мониторинга пучков на ускорительных комплексах, а также просвечивающей электронной и ионной микроскопии для исследования магнитных свойств материалов.