大轨道角动量涡旋电子的极化辐射

涡旋电子（即波函数具有螺旋波前的自由传播电子）可能成为电磁辐射物理学中的一种新工具。它们相对于传播轴携带非零的内禀轨道角动量 (OAM) $\ell$，且当 $\ell \gg 1$ 时，具有由大 OAM 诱导的大磁矩 $\mu \sim \ell \mu_B$（$\mu_B$ 为玻尔磁子），从而影响电磁波的辐射。在此，我们详细考虑此类电子在两种形式的极化辐射（即切伦科夫辐射和过渡辐射）中由 OAM 诱导的效应。得益于较大的 $\ell$，我们可以忽略量级为 $\hbar \omega/E_e \ll 1$ 的量子或自旋诱导效应，但保留量级为 $\ell \hbar \omega/E_e \lesssim 1$ 的磁矩贡献，这使得极化辐射的准经典方法适用。我们讨论了从未在实验中被观测到的磁矩对极化辐射的贡献，并研究了其可见度如何依赖于运动学参数和介质介电常数。特别地，研究表明，原则上可以在方位角非对称的问题中探测到这一贡献，例如当涡旋电子倾斜穿过金属屏（过渡辐射）或在其附近运动（衍射辐射）时。我们预测了过渡辐射的左右角不对称性（在电荷辐射分布本应保持对称的平面内），这是由于电荷辐射场与磁矩辐射场之间的有效干涉所致。对于 $E_e = 300\,\mathrm{keV}$ 且 $\ell = O(100\text{-}1000)$ 的涡旋电子，这种不对称性的数值约为 $O(0.1\text{-}1\%)$，我们认为利用现有技术可以探测到该效应。靶材的有限电导率和频率色散在这些预测中起着至关重要的作用。