轴对称场中的涡旋粒子与量子 Busch 定理的应用

加速具有轨道角动量（OAM）的涡旋电子至相对论能量，以及产生涡旋离子、质子和其他带电粒子的可能性，关键取决于 OAM 在加速过程中是否守恒以及波包相空间如何演化。我们表明，在加速器和电子显微镜典型的轴对称电场与磁透镜场中，以及在彭宁阱（Penning traps）中，OAM 与波包的平均发射度（后者服从薛定谔不确定关系）均守恒，而弱非均匀场的线性近似对单个波包远比对经典束流更有效。我们分析了波包均方根半径 $\langle\rho^2\rangle$ 的量子动力学，将该动力学与广义形式的范西特-泽尼克定理（van Cittert-Zernike theorem）相联系，该定理适用于距源任意距离及非高斯波包，并调整了 Courant-Snyder 形式体系以描述波包相空间的演化。因此，涡旋粒子可在方位角对称场与阱中被加速、聚焦、偏转、俘获甚至存储，在某种程度上类似于经典角动量主导束流。此外，我们给出了 Busch 定理的量子版本，其阐述了如何在场致或光致发射中用磁化阴极产生涡旋电子，以及用磁化剥离箔改变离子电荷态来产生涡旋离子与质子。波包的空间相干性在这些应用中起关键作用，我们给出了不同质量粒子的必要估计。