“纳米茶杯中的漩涡”：研究人员创造由原子和分子组成的涡流束

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科学家们长期以来一直在努力在实验室中产生各种类型的纳米级涡流，最近的重点是创造涡流束--具有旋转特性的粒子流--甚至它们的内部量子结构都可以被制成旋转。由基本粒子、电子和光子组成的涡流在过去已经通过实验被创造出来，但直到现在，原子的涡流束只作为一种思想实验存在。Yair Segev博士说：“在与以色列理工学院的Ido Kaminer教授进行理论辩论时，我们提出了一个实验的想法，即产生单个原子的涡流，”他最近在魏兹曼化学和生物物理系的Edvardas Narevicius教授的小组完成了他的博士研究。

在经典物理学中，旋转的物体通常以一种被称为角动量的属性为特征。与线性动量类似，它描述了使运动物体停止在其轨道上所需的努力，或者说，使其停止旋转。涡流--以围绕轴线的通量循环为特征--在其旋转中完美地体现了这一特性。

然而，自然发生的大大小小的旋涡所具有的角动量这一非常基本的特性，在量子尺度上却有了不同的变化。与它们的经典物理学等价物不同，量子粒子不能采取任何角动量值；相反，它们只能采取离散部分的值。另一个区别是涡旋粒子携带角动量的方式--不是作为一个刚性的、旋转的螺旋桨，而是作为一个围绕其自身运动轴流动和扭曲的波。

这些波可以被塑造和操纵，类似于防波堤被用来引导靠近岸边的海水流动，但规模要小得多。Narevicius小组的博士生Alon Luski说：“通过在原子的路径上放置物理障碍，我们可以将其波的形状操纵成各种形式。”Luski和Segev与他们小组的Rea David一起领导了这项研究，他们与特拉维夫大学的同事合作，开发了一种指导原子运动的创新方法。他们创造了被称为光栅的纳米"防波堤"图案--直径为几百纳米的微小陶瓷盘，具有特定的狭缝图案。当狭缝被排列成叉状时，通过它们的每个原子的行为就像一个流过物理障碍物的波，以这种方式获得角动量并出现一个旋转的漩涡。这些"纳米叉"是通过纳米制造工艺生产的，该工艺是由魏兹曼化学研究支持部的Ora Bitton博士和Hila Nadler专门为该实验开发的。

为了产生和观察原子涡流，研究人员将一束超音速的氦原子射向这些分叉的“光栅”。在到达“光栅”之前，光束通过一个窄缝系统，阻挡了一些原子，只传输那些行为更像大波的原子--那些更适合被“光栅”塑造的原子。当这些"波浪形"原子与"叉子"相互作用时，它们被塑造成旋涡，其强度被一个探测器记录并拍照。

这很像风暴眼，这些"甜甜圈"的中心代表了每个原子漩涡最平静的空间--那里的波的强度为零，所以在那里没有发现原子。这导致了一个由数百万个与探测器碰撞的漩涡氦原子构建的甜甜圈状图像。Segev说：“当我们看到甜甜圈形状的图像时，我们知道我们已经成功地创造了这些氦原子的涡流。很像风暴眼，这些‘甜甜圈 ’的中心代表着每个原子漩涡最平静的空间--那里的波的强度为零，所以在那里没有发现原子。“‘甜甜圈’是一系列不同涡流束的指纹，”Narevicius解释说。

在实验过程中，研究人员做了一个奇怪的观察。“我们看到，在形状完美的甜甜圈旁边，也有两个小点的‘噪音’，”Segev说。“起初我们认为这是一个硬件故障，但经过广泛的调查，我们意识到，我们所看到的实际上是不寻常的分子，每个分子由两个氦原子组成，在我们的光束中被连接在一起。” 换句话说，他们不仅产生了原子的涡流，而且还产生了分子的涡流。

尽管研究人员在他们的实验中使用了氦气，但该实验装置可以容纳对其他元素和分子的研究。它也可以用来研究隐藏的亚原子特性，例如质子或中子的电荷分布，这些电荷只有在原子旋转时才会显示出来。Luski举了一个机械钟的例子。“机械钟是由微小的齿轮组成的，每个齿轮以一定的频率运动，与原子的内部结构相似。现在想象一下，把那个钟拿去旋转--这种运动可以改变齿轮的内部频率，而内部结构也可以表现在涡流的属性上。”

实验中的每一个氦原子都被塑造成一个直径为1微米的旋涡波--比其原始尺寸大1万倍。除了提供一种研究物质基本属性的新方法外，原子涡流束还可能在一些技术应用中找到用途，例如在原子显微镜中。旋转的原子和任何被调查的材料之间的相互作用可能会导致发现该材料的新特性，为许多未来的实验增加重要的、以前无法获得的数据。