原子移动激光将物质雕刻成奇怪的新形状 - 新的研究

携带轨道角动量（OAM，m）的光在移动时会“扭曲”。作者提供

让原子做你想做的事情并不容易，但它是许多开创性物理学研究的核心。

创造和控制新形式物质的行为是特别令人感兴趣的，也是一个活跃的研究领域。我们发表在《物理评论快报》上的新研究揭示了一种使用激光将超冷原子雕刻成不同形状的全新方法。

超冷原子冷却到接近绝对零度（-273 C）的温度，对研究人员非常感兴趣，因为它们允许他们看到和探索原本不可能的物理现象。在这些比外层空间更冷的温度下，原子群形成一种新的物质状态（不是固体，液体或气体），称为玻色 - 爱因斯坦凝聚物（BEC）。2001年，物理学家因产生这种凝聚物而获得诺贝尔奖。

BEC的定义特征是其原子的行为与我们通常期望的行为非常不同。它们不是作为独立的粒子，而是具有相同的（非常低的）能量并且彼此协调。

这类似于来自太阳的光子（光粒子）与激光束中的光子（光粒子）之间的差异，它们可能具有许多不同的波长（能量）并独立振荡， 而激光束中的光子（光粒子）都具有相同的波长并一起振荡。

在这种新的物质状态下，原子的行为更像是一个单一的波状结构，而不是一组单独的粒子。研究人员已经能够证明两个不同的BEC之间的波状干涉图案，甚至产生移动的“BEC液滴”。后者可以被认为是激光束的原子等效物。

移动液滴

在我们与我们的同事Gordon Robb和Gian-Luca Oppo进行的最新研究中，我们研究了如何使用特殊形状的激光束来操纵BEC的超冷原子。使用光来移动物体的想法并不新鲜：当光落在物体上时，它可以施加（非常小的）力。这种辐射压力是太阳帆思想背后的原理，太阳光对大镜子施加的力可以用来推动航天器穿过太空。

然而，在这项研究中，我们使用了一种特殊类型的光，它不仅能够“推动”原子，而且还能够旋转它们，有点像“光学扳手”。这些激光束看起来像明亮的环（或甜甜圈）而不是斑点，并且它们具有扭曲的（螺旋）波前，如下图所示。

在正确的条件下，当这种扭曲的光照射到移动的BEC上时，其中的原子首先被吸引到明亮的环上，然后再围绕它旋转。当原子旋转时，光和原子都开始形成液滴，这些液滴绕激光束的原始方向运行，然后向外喷射，远离环。

液滴的数量等于光扭曲次数的两倍。通过改变初始激光束中扭曲的数量或方向，我们可以完全控制形成的液滴的数量，以及它们随后旋转的速度和方向（见下图）。我们甚至可以防止原子液滴从环中逸出，使它们继续运行更长时间，产生一种超冷原子电流。

扭曲的光线照射到移动的BEC上，将其雕刻成一个环，然后将其分解成许多BEC液滴，这些水滴围绕光线的方向旋转，然后挣脱并扭曲开来。作者提供

超冷原子电流

这种通过超冷原子照射扭曲光的方法开辟了一种新的简单方法来控制和雕刻物质，使其进一步非常规和复杂的形状。

BEC最令人兴奋的潜在应用之一是“原子一体化电路”的产生，其中超冷原子的物质波被光学和/或磁场引导和操纵，形成电子电路和器件（如晶体管和二极管）的高级等效物。能够可靠地操纵BEC的形状最终将有助于创建原子一体化电路。

我们的超冷原子在这里就像“原子一种超导量子干涉器件”，有可能提供比传统电子产品优越得多的器件。这是因为中性原子比通常构成电流的电子产生的信息损失要小。我们还能够更轻松地更改设备的功能。

然而，最令人兴奋的是，我们的方法使我们能够产生复杂的原子一体化电路，而这些电路根本不可能用普通材料进行设计。这可以帮助设计高度可控且易于重新配置的量子传感器，能够测量微小的磁场，否则这些磁场是不可测量的。这种传感器在从基础物理学研究到发现新材料或测量大脑信号等领域都很有用。

更多信息：Grant W. Henderson等人，通过玻色 - 爱因斯坦凝聚态传播的光学涡旋光束对光 - 原子孤子和原子传输的控制，物理评论快报（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.129.073902

期刊信息：物理评论快报