自由电子涡旋态的理论与应用

经典波和量子波都能形成涡旋：具有螺旋相位前和方位角电流密度。这些特征决定了局域涡旋态所携带的内禀轨道角动量。在过去的 25 年里，光学涡旋束已成为现代光学固有的组成部分，取得了许多显著成就和应用。在过去的十年中，人们意识到并证明此类涡旋束或波包也可以出现在自由电子波中，特别是在电子显微镜中。对自由电子涡旋态的兴趣迅速蔓延到物理学的不同领域：从量子力学的基本方面，经由用于精细探测物质（包括单个原子）的应用，到高能粒子碰撞和辐射过程。在此我们提供这一新兴研究领域中理论和实验研究的综合性综述。我们描述了电子涡旋态的主要性质、透射电子显微镜内的实验成就和可能的应用，以及涡旋电子在相对论和高能过程中的可能作用。我们旨在提供平衡的描述，包括教学性介绍、坚实的理论基础和广泛的实用细节。特别关注将理论见解转化为对未来实验的建议，在电子显微镜及更广的范围内、在任何出现自由电子的情况下。