攜帶軌道角動量（OAM，m）的光在移動時會“扭曲”。作者提供

讓原子做你想做的事情并不容易，但它是許多開創(chuàng)性物理學研究的核心。

創(chuàng)造和控制新形式物質(zhì)的行為是特別令人感興趣的，也是一個活躍的研究領(lǐng)域。我們發(fā)表在《物理評論快報》上的新研究揭示了一種使用激光將超冷原子雕刻成不同形狀的全新方法。

超冷原子冷卻到接近絕對零度（-273 C）的溫度，對研究人員非常感興趣，因為它們允許他們看到和探索原本不可能的物理現(xiàn)象。在這些比外層空間更冷的溫度下，原子群形成一種新的物質(zhì)狀態(tài)（不是固體，液體或氣體），稱為玻色 – 愛因斯坦凝聚物（BEC）。2001年，物理學家因產(chǎn)生這種凝聚物而獲得諾貝爾獎。

BEC的定義特征是其原子的行為與我們通常期望的行為非常不同。它們不是作為獨立的粒子，而是具有相同的（非常低的）能量并且彼此協(xié)調(diào)。

這類似于來自太陽的光子（光粒子）與激光束中的光子（光粒子）之間的差異，它們可能具有許多不同的波長（能量）并獨立振蕩， 而激光束中的光子（光粒子）都具有相同的波長并一起振蕩。

在這種新的物質(zhì)狀態(tài)下，原子的行為更像是一個單一的波狀結(jié)構(gòu)，而不是一組單獨的粒子。研究人員已經(jīng)能夠證明兩個不同的BEC之間的波狀干涉圖案，甚至產(chǎn)生移動的“BEC液滴”。后者可以被認為是激光束的原子等效物。

移動液滴

在我們與我們的同事Gordon Robb和Gian-Luca Oppo進行的最新研究中，我們研究了如何使用特殊形狀的激光束來操縱BEC的超冷原子。使用光來移動物體的想法并不新鮮：當光落在物體上時，它可以施加（非常小的）力。這種輻射壓力是太陽帆思想背后的原理，太陽光對大鏡子施加的力可以用來推動航天器穿過太空。

然而，在這項研究中，我們使用了一種特殊類型的光，它不僅能夠“推動”原子，而且還能夠旋轉(zhuǎn)它們，有點像“光學扳手”。這些激光束看起來像明亮的環(huán)（或甜甜圈）而不是斑點，并且它們具有扭曲的（螺旋）波前，如下圖所示。

在正確的條件下，當這種扭曲的光照射到移動的BEC上時，其中的原子首先被吸引到明亮的環(huán)上，然后再圍繞它旋轉(zhuǎn)。當原子旋轉(zhuǎn)時，光和原子都開始形成液滴，這些液滴繞激光束的原始方向運行，然后向外噴射，遠離環(huán)。

液滴的數(shù)量等于光扭曲次數(shù)的兩倍。通過改變初始激光束中扭曲的數(shù)量或方向，我們可以完全控制形成的液滴的數(shù)量，以及它們隨后旋轉(zhuǎn)的速度和方向（見下圖）。我們甚至可以防止原子液滴從環(huán)中逸出，使它們繼續(xù)運行更長時間，產(chǎn)生一種超冷原子電流。

扭曲的光線照射到移動的BEC上，將其雕刻成一個環(huán)，然后將其分解成許多BEC液滴，這些水滴圍繞光線的方向旋轉(zhuǎn)，然后掙脫并扭曲開來。作者提供

超冷原子電流

這種通過超冷原子照射扭曲光的方法開辟了一種新的簡單方法來控制和雕刻物質(zhì)，使其進一步非常規(guī)和復雜的形狀。

BEC最令人興奮的潛在應用之一是“原子一體化電路”的產(chǎn)生，其中超冷原子的物質(zhì)波被光學和/或磁場引導和操縱，形成電子電路和器件（如晶體管和二極管）的高級等效物。能夠可靠地操縱BEC的形狀最終將有助于創(chuàng)建原子一體化電路。

我們的超冷原子在這里就像“原子一種超導量子干涉器件”，有可能提供比傳統(tǒng)電子產(chǎn)品優(yōu)越得多的器件。這是因為中性原子比通常構(gòu)成電流的電子產(chǎn)生的信息損失要小。我們還能夠更輕松地更改設(shè)備的功能。

然而，最令人興奮的是，我們的方法使我們能夠產(chǎn)生復雜的原子一體化電路，而這些電路根本不可能用普通材料進行設(shè)計。這可以幫助設(shè)計高度可控且易于重新配置的量子傳感器，能夠測量微小的磁場，否則這些磁場是不可測量的。這種傳感器在從基礎(chǔ)物理學研究到發(fā)現(xiàn)新材料或測量大腦信號等領(lǐng)域都很有用。

更多信息：Grant W. Henderson等人，通過玻色 – 愛因斯坦凝聚態(tài)傳播的光學渦旋光束對光 – 原子孤子和原子傳輸?shù)目刂?，物理評論快報（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.129.073902

期刊信息：物理評論快報