魏茨曼科学研究所
信用:CC0公共领域
漩涡可能在脑海中浮现出漩涡和龙卷风——旋转的水体和空气——的形象，但它们也可以以小得多的尺度存在
在《科学》杂志上发表的一项新研究中，魏茨曼科学研究所的研究人员与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组成的漩涡
这些漩涡有助于回答关于亚原子世界内部运作的基本问题，并可用于增强各种技术——例如，为原子显微镜提供新的功能
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尺度涡流，最近的重点是创造涡流束——具有旋转特性的粒子流——在那里甚至可以使它们的内部量子结构旋转
由基本粒子、电子和光子组成的漩涡在过去是通过实验产生的，但直到现在，原子的漩涡束只是作为一种思想实验而存在
“在与教授的理论辩论中
Technion的Ido Kaminer说:“我们想出了一个实验的想法，这个实验将产生单个原子的漩涡。”
最近完成博士学位的雅伊尔·塞格夫
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教授小组的研究
魏茨曼化学和生物物理系的爱德华达斯·纳瑞维修斯
在经典物理学中，旋转的物体通常以角动量为特征
类似于线性动量，它描述了阻止运动物体在其轨道上运动，或者更确切地说，阻止其旋转所需的努力
漩涡——以围绕一个轴的通量循环为特征——在其无情的旋转中完美地体现了这一特性
(左)纳米光栅设计的一个例子，具有透射(黑色)和阻挡(白色)区域，用于将超音速氦束成形为氦原子漩涡
(右)在四米半长的实验装置结束时，摄像机捕捉到的所有碰撞事件的构建图像
“甜甜圈”的形状证明了原子在通过光栅后形成了漩涡
信用:魏茨曼科学研究所 然而，角动量的最基本的性质，即表征自然发生的大涡和小涡，在量子尺度上呈现出不同的扭曲
与它们的经典物理学等价物不同，量子粒子不能具有任何角动量值；相反，它们只能接受离散部分的值，或“量子”
“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，而是作为一个绕自身运动轴流动和扭曲的波
这些波浪的形状和操作方式类似于防波堤引导近岸海水流动的方式，但规模要小得多
“通过在原子的路径上设置物理障碍，我们可以将它的波形操纵成各种形式，”博士阿龙·卢斯基说
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纳瑞维修斯小组的学生
领导这项研究的拉斯基和塞格夫，以及他们小组的雷·大卫，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——直径几百纳米的微小陶瓷圆盘，带有特定的狭缝图案
当狭缝排列成叉形时，每个穿过狭缝的原子就像一个穿过物理障碍物的波，以这种方式获得角动量，形成旋转的漩涡
这些“纳米叉”是通过纳米制造工艺生产的，该工艺是由Dr
魏茨曼化学研究支持部的奥拉·比特顿和希拉·纳德勒
为了产生和观察原子漩涡，研究人员将超音速氦原子束对准这些分叉的光栅
在到达光栅之前，光束通过一个狭窄的狭缝系统，该系统阻挡了一些原子，只传输那些行为更像大浪的原子——那些更适合被光栅整形的原子
当这些“波浪形”原子与“叉子”相互作用时，它们会形成漩涡，它们的强度会被探测器记录下来并拍摄下来
这个四米半长的实验装置从氦原子的超音速光束开始，瞄准纳米分叉光栅，产生原子涡旋光束，然后被探测器捕获并拍摄下来
信用:魏茨曼科学研究所 这导致了一个由数百万涡旋的氦原子与探测器碰撞而成的环形图像
塞格夫说:“当我们看到环形图像时，我们知道我们已经成功地创造了这些氦原子的漩涡。”
很像风暴的“眼睛”，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，所以那里没有发现原子
“这些‘甜甜圈’是一系列不同涡旋光束的指纹，”纳瑞维修斯解释道
在实验过程中，研究人员做了一个奇怪的观察
塞格夫说:“我们看到，在形状完美的甜甜圈旁边，还有两个‘噪音’小点。”
“起初我们认为这是硬件故障，但经过广泛的调查，我们意识到我们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，它们在我们的光束中结合在一起
“换句话说，它们不仅产生了原子漩涡，还产生了分子漩涡
虽然研究人员在他们的实验中使用了氦，但是实验装置可能适合其他元素和分子的研究
它也可以用来研究隐藏的亚原子性质，例如质子或中子的电荷分布，这种分布只有在原子旋转时才会被发现
Luski举了一个机械钟的例子:“机械钟由微小的齿轮和齿轮组成，每个齿轮和齿轮都以一定的频率运动，类似于原子的内部结构
现在想象一下，拿着那个钟旋转——这个运动可以改变齿轮的内部频率，内部结构也可以用漩涡的特性来表达
" 除了提供一种研究物质最基本特性的新方法，原子涡旋光束还可以应用于多种技术，如原子显微镜
旋转的原子和任何被研究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了重要的、以前无法获得的数据
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