将物质塑造成复杂形状的简单方法

在一些开创性物理学的研究领域，对冷却到接近绝对零度（-273°C）的超冷原子进行操控，是众多物理学家的热情所在。因为在如此低温下，原子能表现出许多非凡的物理现象，这些现象在常规条件下是不可能发生的。

在一篇发表于《物理评论快报》的新研究中，一个研究团队就开辟了一种利用激光照射在超冷原子上，进而将物质塑造成各种不同形状的全新方法。

利用激光将超冷原子雕刻成不同形状。（图 /University of Strathclyde）

第五种物质状态

你或许对物质的三种最常见的状态——固体、液体和气体——非常熟悉，但这三态并非物质状态的全貌。1995 年，一个物理学家团队利用磁场，在接近绝对零度的寒冷条件下，使原子可以形成了一种有别于固、液、气的物质状态——玻色 - 爱因斯坦凝聚（BEC）。自那之后，这种奇异的量子态便经常出现在全世界数百个不同的实验室中。

BEC 也常被称为第五种物质状态，处于这种状态的原子有着预期之外的非常规行为。它们不再表现得像是单个独立的粒子，而是会呈现出一种统一的状态，所有的原子会好似被结合在了一起，都具有相同的、非常低的能量，表现得像一个单一的、和谐的物体。

我们可以用一个简单的类比来帮助理解这种物质状态：普通的物质状态就好比来自太阳光的光子，这些光子之间是有差异的，它们独立振荡，有着不同的波长和能量；而 BEC 就好比是来自激光束的光子，它们一起振荡，且都有着相同的波长。

移动的 BEC 液滴

在新研究中，研究人员使用了特殊的激光束来操纵 BEC 超冷原子。其实，用光来控制物体并不是什么新奇的想法，比如太阳帆概念背后的原理正是当光落到物体上时，会对物体施加一个非常微小的辐射压力。因此，太阳帆因受到太阳光施加在镜面上的力，而得以在太空中前行。

现在，新研究中使用了一种特殊激光，不仅能推动原子，还能使它们旋转。这是一种被 " 扭曲 " 的激光，它们具有螺旋状的轮廓线，并且具有轨道角动量，这样的激光束看起来像明亮的圆环，而不是光斑。

具有轨道角动量的光，能够在移动时扭转。（图 /Henderson et al）

当这种扭曲的光照射到移动的 BEC 上时，这些原子会先被吸引到明亮的环上，然后绕之旋转。当原子旋转时，光和原子会一起形成所谓的 "BEC 液滴 "。在这些液滴在被喷射出环外之前，它们会绕着激光束原本的方向旋转。

液滴的数量等于光被扭曲的次数的两倍。通过改变激光束的扭曲次数或方向，研究人员就可以完全控制形成的 BEC 液滴的数量，以及它们随后旋转的速度和方向。

扭曲的光照射到一个移动的 BEC 上，将其雕刻成一个环，然后将其分解成大量的 BEC 液滴，这些液滴沿着光的方向旋转，然后脱离并扭曲。（图 /Henderson et al）

超冷原子流

新的研究通过用扭曲光照射超冷原子，开辟了一种简单的可控制和塑造物质，使其形成更加复杂的形状的方法。

通过阻止 BEC 液滴从环中逃逸，让它们就在环形轨道上运行更长时间，研究人员能创造出一种超冷原子流。这些超冷原子就像是一个原子电子学的超导量子干涉仪。原子电子学是一个新兴的领域，旨在操控在物质波回路中运动的超冷原子。

在原子电子学回路中，超冷原子的物质波可以被光或磁场引导和操纵，形成各种先进的电子电路和器件。与传统的电子学相比，它们有望带来更加先进优越的仪器。这是因为中性的原子会造成的信息丢失比电子要少，而且这些仪器的特征也可以被更容易地改变。

能够稳定可靠地操纵 BEC 的形状，最终将有助于创建原子电子学回路。令人兴奋的是，新研究所开辟的新方法，让生成复杂的原子电子学回路成为了可能，这是用普通材料所无法企及的。这将有助于设计出高度可控且易于重构的量子传感器，能够测量在其他情况下都无法测量的微小磁场。这种传感器将在从基础物理研究到发现新材料或测量来自大脑的信号等领域发挥作用。