量子非弹性电子散射通过轨道角动量态进行的量子层析

量子系统的物理性质，无论是纯态还是混合态，都由其密度矩阵完全描述。通过投影测量恢复密度矩阵——即量子态层析——是量子光学和计量学的基石。在传输电子显微镜中实现这一方法，特别是对非弹性散射后电子束的特性表征，长期以来一直是一个长期挑战，因为扫描高维相空间的复杂性要求测量数量随空间维度的平方增长。这里，我们提出了一种简化的方法，通过将层析限制在电子轨道角动量（OAM）子空间。利用一种称为OAM分选器的电子光学装置，我们将相空间离散化为有限的可测状态集合，从而显著减少实验和计算负担。所得测量足以探测非弹性散射的基本特征。我们通过研究激发碳薄膜中体等离子体的结构化电子探针的非弹性散射来展示该技术。结合结构化的光束和OAM分辨的量子层析，揭示了对称性破缺效应，并为散射量子态相干性和演化提供了洞察。对对角化密度矩阵的分析进一步揭示了诱导态转变的性质，证明该方法在电子散射量子层析中的强大能力。