在一些開(kāi)創(chuàng)性物理學(xué)的研究領(lǐng)域，對(duì)冷卻到接近絕對(duì)零度（-273°C）的超冷原子進(jìn)行操控，是眾多物理學(xué)家的熱情所在。因?yàn)樵谌绱说蜏叵?，原子能表現(xiàn)出許多非凡的物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象在常規(guī)條件下是不可能發(fā)生的。

在一篇發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的新研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)就開(kāi)辟了一種利用激光照射在超冷原子上，進(jìn)而將物質(zhì)塑造成各種不同形狀的全新方法。

利用激光將超冷原子雕刻成不同形狀。（圖 /University of Strathclyde）

第五種物質(zhì)狀態(tài)

你或許對(duì)物質(zhì)的三種最常見(jiàn)的狀態(tài)——固體、液體和氣體——非常熟悉，但這三態(tài)并非物質(zhì)狀態(tài)的全貌。1995 年，一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用磁場(chǎng)，在接近絕對(duì)零度的寒冷條件下，使原子可以形成了一種有別于固、液、氣的物質(zhì)狀態(tài)——玻色 - 愛(ài)因斯坦凝聚（BEC）。自那之后，這種奇異的量子態(tài)便經(jīng)常出現(xiàn)在全世界數(shù)百個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)室中。

BEC 也常被稱(chēng)為第五種物質(zhì)狀態(tài)，處于這種狀態(tài)的原子有著預(yù)期之外的非常規(guī)行為。它們不再表現(xiàn)得像是單個(gè)獨(dú)立的粒子，而是會(huì)呈現(xiàn)出一種統(tǒng)一的狀態(tài)，所有的原子會(huì)好似被結(jié)合在了一起，都具有相同的、非常低的能量，表現(xiàn)得像一個(gè)單一的、和諧的物體。

我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)比來(lái)幫助理解這種物質(zhì)狀態(tài)：普通的物質(zhì)狀態(tài)就好比來(lái)自太陽(yáng)光的光子，這些光子之間是有差異的，它們獨(dú)立振蕩，有著不同的波長(zhǎng)和能量；而 BEC 就好比是來(lái)自激光束的光子，它們一起振蕩，且都有著相同的波長(zhǎng)。

移動(dòng)的 BEC 液滴

在新研究中，研究人員使用了特殊的激光束來(lái)操縱 BEC 超冷原子。其實(shí)，用光來(lái)控制物體并不是什么新奇的想法，比如太陽(yáng)帆概念背后的原理正是當(dāng)光落到物體上時(shí)，會(huì)對(duì)物體施加一個(gè)非常微小的輻射壓力。因此，太陽(yáng)帆因受到太陽(yáng)光施加在鏡面上的力，而得以在太空中前行。

現(xiàn)在，新研究中使用了一種特殊激光，不僅能推動(dòng)原子，還能使它們旋轉(zhuǎn)。這是一種被 " 扭曲 " 的激光，它們具有螺旋狀的輪廓線，并且具有軌道角動(dòng)量，這樣的激光束看起來(lái)像明亮的圓環(huán)，而不是光斑。

具有軌道角動(dòng)量的光，能夠在移動(dòng)時(shí)扭轉(zhuǎn)。（圖 /Henderson et al）

當(dāng)這種扭曲的光照射到移動(dòng)的 BEC 上時(shí)，這些原子會(huì)先被吸引到明亮的環(huán)上，然后繞之旋轉(zhuǎn)。當(dāng)原子旋轉(zhuǎn)時(shí)，光和原子會(huì)一起形成所謂的 "BEC 液滴 "。在這些液滴在被噴射出環(huán)外之前，它們會(huì)繞著激光束原本的方向旋轉(zhuǎn)。

液滴的數(shù)量等于光被扭曲的次數(shù)的兩倍。通過(guò)改變激光束的扭曲次數(shù)或方向，研究人員就可以完全控制形成的 BEC 液滴的數(shù)量，以及它們隨后旋轉(zhuǎn)的速度和方向。

扭曲的光照射到一個(gè)移動(dòng)的 BEC 上，將其雕刻成一個(gè)環(huán)，然后將其分解成大量的 BEC 液滴，這些液滴沿著光的方向旋轉(zhuǎn)，然后脫離并扭曲。（圖 /Henderson et al）

超冷原子流

新的研究通過(guò)用扭曲光照射超冷原子，開(kāi)辟了一種簡(jiǎn)單的可控制和塑造物質(zhì)，使其形成更加復(fù)雜的形狀的方法。

通過(guò)阻止 BEC 液滴從環(huán)中逃逸，讓它們就在環(huán)形軌道上運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，研究人員能創(chuàng)造出一種超冷原子流。這些超冷原子就像是一個(gè)原子電子學(xué)的超導(dǎo)量子干涉儀。原子電子學(xué)是一個(gè)新興的領(lǐng)域，旨在操控在物質(zhì)波回路中運(yùn)動(dòng)的超冷原子。

在原子電子學(xué)回路中，超冷原子的物質(zhì)波可以被光或磁場(chǎng)引導(dǎo)和操縱，形成各種先進(jìn)的電子電路和器件。與傳統(tǒng)的電子學(xué)相比，它們有望帶來(lái)更加先進(jìn)優(yōu)越的儀器。這是因?yàn)橹行缘脑訒?huì)造成的信息丟失比電子要少，而且這些儀器的特征也可以被更容易地改變。

能夠穩(wěn)定可靠地操縱 BEC 的形狀，最終將有助于創(chuàng)建原子電子學(xué)回路。令人興奮的是，新研究所開(kāi)辟的新方法，讓生成復(fù)雜的原子電子學(xué)回路成為了可能，這是用普通材料所無(wú)法企及的。這將有助于設(shè)計(jì)出高度可控且易于重構(gòu)的量子傳感器，能夠測(cè)量在其他情況下都無(wú)法測(cè)量的微小磁場(chǎng)。這種傳感器將在從基礎(chǔ)物理研究到發(fā)現(xiàn)新材料或測(cè)量來(lái)自大腦的信號(hào)等領(lǐng)域發(fā)揮作用。