Un haz de electrones, igual que un haz de luz, puede tener momento angular orbital (los llamados haces de vórtice, o vortex beams). En estos haces los electrones rotan a lo largo de la dirección del haz de forma similar a como orbitan un núcleo en un átomo, pero sin que haya una fuerza de Coulomb. Se trata de un fenómeno cuántico predicho en 2007 y observado por primera vez en 2010 por Uchida y Tonomura.

En Applied Physics Letters se presenta un método holográfico para generar haces de vórtice de electrones con alta eficiencia (25%). En teoría este método puede alcanzar una eficiencia del 100%, luego promete extender las aplicaciones de estos haces de vórtice en nanotecnología (manipulación de nanopartículas) y espectroscopia (de materiales quirales).

Nos lo cuenta Jun Yuan, «Applied physics: Bright electron twisters,» Nature 509: 37-38, 01 May 2014; el nuevo artículo técnico es Vincenzo Grillo et al., «Highly efficient electron vortex beams generated by nanofabricated phase holograms,» Appl. Phys. Lett. 104: 043109, 2014.

La predicción teórica es de Konstantin Yu. Bliokh et al., «Semiclassical Dynamics of Electron Wave Packet States with Phase Vortices,» Phys. Rev. Lett. 99: 190404, 2007; la primera observación experimental de Masaya Uchida, Akira Tonomura, «Generation of electron beams carrying orbital angular momentum,» Nature 464: 737-739, 2010; y la segunda de J. Verbeeck et al., «Production and application of electron vortex beams,» Nature 467: 301–304, 2010.

La velocidad de rotación (y el momento angular) de un haz de vórtice de electrones es proporcional al gradiente angular de la fase de la función de onda cuántica de los electrones. Este gradiente de fase hace que el pico de la onda cuántica gire alrededor del eje del haz trazando un frente de onda helicoidal. Un holograma (inventado por el físico Dennis Gabor a finales de los 1940) permite cambiar la fase de un haz de luz (permitiendo ver imágenes en tres dimensiones de objetos).

Un holograma se puede usar para cambiar la fase de un haz de electrones. Una onda plana de electrones (un haz de electrones en el que los frentes de onda son planos) se transforma en haz de vórtice al atravesar un holograma adecuado. En dicho haz el frente de onda tiene una forma helicoidal con un valor nulo en su centro y un anillo no nulo a su alrededor. La ventaja de los haces de vórtice con electrones, en lugar de fotones, es que este anillo central puede tener un diámetro inferior a un nanómetro (unas mil veces más pequeño que en el caso óptico). Gracias a ello tienen aplicaciones como pinzas «ópticas» (mejor dicho, pinzas electrónicas) para la manipulación individual de nanopartículas.

El nuevo método permite la generación eficiente de haces de vórtice de electrones de gran intensidad con valores muy altos del momento angular, que están asociados a grandes momentos magnéticos. Por ello permitirá estudiar los efectos cuánticos asociados a estos momentos magnéticos gigantes. Además, como estos haces de vórtice son quirales, permiten el estudio espectroscópico de materiales quirales, como materiales magnéticos, ciertos polímeros y ciertas macromoléculas biológicas. El futuro aplicado de los haces de vórtice de electrones es sin duda muy prometedor.