科学探索|“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 “纳米茶杯中的漩涡”：研究

魏茨曼科学研究院的研究人员首次创造了由原子和分子组成的涡流束。在《科学》杂志上发表的一项新研究中，来自魏兹曼科学研究院的研究人员与来自以色列理工学院和特拉维夫大学的合作者一起，首次创造了由单个原子构成的“旋涡” 。这些“旋涡”可以帮助回答有关亚原子世界内部运作的基本问题，并被用来加强各种技术--例如，通过为原子显微镜提供新的能力。

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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。

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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。

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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。