新的“扭曲”激光束可以将超冷原子雕刻成不寻常的形状：

让原子做你想做的事并不容易——但它是物理学中许多开创性研究的核心。

创造和控制新形式物质的行为特别令人感兴趣以及一个活跃的研究领域。

我们发表在《物理评论快报》上的新研究发现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 (-273°C) 的温度，引起了研究人员的极大兴趣，因为它们使他们能够看到和探索否则不可能实现的物理现象。

在这些温度下，比在外层空间，原子团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 (BEC)。 2001 年，物理学家因产生这种凝聚态而获得诺贝尔奖。

BEC 的决定性特征是其原子行为与我们通常预期的行为截然不同。而不是独立行事粒子，它们都具有相同（非常低）的能量并且相互协调。

这类似于来自太阳的光子（光粒子）之间的差异，它们可能具有许多不同的波长（能量）和独立振荡，以及激光束中的那些，它们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种不同 BEC 之间的波状干涉模式，甚至可以产生移动的“BEC 液滴”。后者可以被认为是激光束的原子等效物。

移动液滴

在我们与同事 Gordon Robb 和 Gian-Luca Oppo 进行的最新研究中，我们研究了特殊形状的激光束如何用于操纵 BEC 的超冷原子。

利用光移动物体的想法并不新鲜：当光落在物体上时，它会n 施加（非常小的）力。这种辐射压力是太阳帆概念背后的原理，太阳光在大镜子上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光不仅能够“推动”原子，还能旋转它们，有点像“光学扳手”。

这些激光束看起来像明亮的环（或甜甜圈）而不是斑点它们有一个扭曲的（螺旋形）波前，如下图所示。

携带轨道角动量 (OAM, m) 的光在移动时会“扭曲”。（Grant Henderson 和 Allison Yao）

在正确的条件下，当这种扭曲的光照射到移动的 BEC 上时，原子

随着原子旋转，光和原子开始形成液滴，这些液滴围绕激光束的原始方向运行，然后向外喷射，离开

液滴的数量等于光扭曲数量的两倍。通过改变初始激光束的扭曲数量或方向，我们可以完全控制光的数量形成的水滴，以及它们随后旋转的速度和方向（见下图）。

扭曲的光照射在移动的 BEC 上，将其塑造成一个环，然后将其分解成许多 BEC 液滴，这些液滴围绕光的方向旋转，然后挣脱并扭曲。（ Grant Henderson 和 Allison Yao）

我们甚至可以阻止原子滴从环中逸出，使它们继续在轨道上运行更长时间，从而产生一种超冷原子流。

超冷原子流

这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，可以控制物质并将其塑造成更加非常规和复杂的形状。

BEC 最令人兴奋的潜在应用之一是“原子电子电路”的产生，其中超冷原子的物质波被引导和操纵通过光和/或磁场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电子电路。

我们的超冷原子在这里充当“原子电子超导量子干涉装置”，有可能提供比传统电子设备更优越的设备。

这是因为中性原子导致的信息丢失少于通常使电子丢失的信息上电流。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，我们的方法使我们有可能生产复杂的原子电子电路，而这些电路根本不可能用常规方法设计

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，否则这些磁场是无法测量的。

这样的传感器将非常有用l 从基础物理研究到发现新材料或测量大脑信号等领域。

Grant Henderson，斯特拉斯克莱德大学物理学博士候选人和 Alison Yao，斯特拉斯克莱德大学物理学高级讲师

本文根据知识共享许可从 The Conversation 重新发布.阅读原文。