撰稿 | 楊大海（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 博士生）

渦旋現(xiàn)象，在很早以前就被科學(xué)家們關(guān)注到了。直到1989年，法國科學(xué)家P. Coullet提出了光學(xué)渦旋的概念，指一種具有流體動(dòng)力學(xué)渦旋性質(zhì)的一類光場。而真正將光學(xué)渦旋推向研究高峰的人，應(yīng)該是英國物理學(xué)家L. Allen。正是Allen等人的實(shí)驗(yàn)，證明了渦旋光束（名詞解釋>）具有軌道角動(dòng)量。從此，對渦旋光束的研究掀開了一個(gè)新的篇章。

圖1：光學(xué)渦旋研究早期的歷史簡介（制圖：撰稿人 楊大海）

相關(guān)文章推薦：《光學(xué)渦旋三十載回眸》

Allen等人通過實(shí)驗(yàn)和理論都證實(shí)了，渦旋光束具有軌道角動(dòng)量。從物理光學(xué)的角度看，這是由于渦旋光束具有螺旋形的相位波前；而從量子物理學(xué)角度來看，構(gòu)成渦旋光束的光子是可以攜帶軌道角動(dòng)量的。

在經(jīng)典物理學(xué)框架下，單個(gè)自由粒子應(yīng)該是沿著直線軌跡運(yùn)動(dòng)的，而呈現(xiàn)一個(gè)渦旋狀的螺旋運(yùn)動(dòng)這是不可能的。但是，在量子物理的世界里這一切將變得與眾不同，而渦旋光束中的光子具有軌道角動(dòng)量就是一個(gè)很好的證明。

光子，是愛因斯坦為了解釋光電效應(yīng)而提出的。光子是電磁輻射的載體，在量子場論中光子被認(rèn)為是電磁相互作用的基本粒子。

光子這樣的基本粒子可以攜帶有軌道角動(dòng)量，那么對于像光子一樣的一些基本粒子（名詞解釋>）是否也是可以攜帶有軌道角動(dòng)量，即產(chǎn)生渦旋現(xiàn)象呢？

因?yàn)樵诹孔游锢韺W(xué)框架下，所以的微觀粒子都可以用波函數(shù)來表示，這是1924年德布羅意提出的物質(zhì)波理論。電子的渦旋現(xiàn)象，在2011年被科學(xué)家們所報(bào)道。研究者將電子束穿過由石墨薄膜制成的螺旋相位掩模，制造出了電子渦旋光束。這項(xiàng)研究證實(shí)了光學(xué)波和物質(zhì)波之間的對應(yīng)關(guān)系，并開啟了利用電子渦旋光束來做基礎(chǔ)研究的先河。

除了光子和電子等基本粒子外，人們還提出了各種關(guān)于制造復(fù)合粒子（名詞解釋>）（可以再分的粒子：如中子、質(zhì)子和原子等）渦旋光束的建議。曾有人嘗試給予中子賦予軌道角動(dòng)量（OAM），但由于相干長度不足而受阻。而到目前為止，還沒有在實(shí)驗(yàn)情況下創(chuàng)造出非基本粒子（本文指：氦原子和氦二聚體分子）的渦旋光束。

近日，來自以色列魏茨曼科學(xué)研究所，Edvardas Narevicius領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了有史以來第一個(gè)原子渦旋光束——一種由原子和分子組成的漩渦龍卷風(fēng)。該成果以“Vortex beams of atoms and molecules”為題，發(fā)表于 Science。

文中研究者們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了分子和原子渦旋光束，其波源來源于氦原子和亞穩(wěn)態(tài)的氦二聚體（氦二聚體是氦原子氣體在放電超音速膨脹后形成的分子）。氦原子波束通過一個(gè)納米級透射叉型光柵，產(chǎn)生了原子和分子渦旋。其實(shí)，作者們提出的方法具有普適性，可以應(yīng)用于大多數(shù)原子和分子氣體。而這項(xiàng)成果的誕生也可能開啟了軌道角動(dòng)量應(yīng)用的一個(gè)新物理前景，即可以通過OAM這一格外自由度來探測原子的相互碰撞以及改變原子之間的基本相互作用等。

圖2：產(chǎn)生和探測原子和分子渦旋光束的實(shí)驗(yàn)裝置（圖源：Science / 制圖：撰稿人 楊大海）

在進(jìn)行原子和分子渦旋光束的實(shí)驗(yàn)中，需要克服很多困難。其中最為典型是：

1、實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有大橫向相干長度的傳播源；

2、復(fù)合粒子比電子重，它們的德布羅意波長通常較短。而波長越短，實(shí)現(xiàn)相干就越困難。

第一個(gè)問題的解決：利用一個(gè)可以產(chǎn)生很窄速度分布的氦脈沖源（pulsed Even-Lavie valve），粒子的縱向波長可以通過改變閥門的溫度來控制的，溫度越低，光束越慢，波長也就越長。通過冷卻到115K即零下158.15度時(shí)，氦原子流的速度達(dá)到超音速1090m/s，利用德布羅意公式（名詞解釋>），可計(jì)算出其波長為90pm。而這個(gè)相干長度通常是通過選擇到達(dá)光柵的粒子的橫向速度范圍來控制的。所以在閥門下游40cm處放置了兩個(gè)垂直的狹縫來限制徑向傳播，只允許一束準(zhǔn)直的波束通過150μm，并且利用喇叭形漏斗來約束其擴(kuò)散，最后通過選擇到達(dá)叉型光柵的傳播距離來限制發(fā)散角。所以，對于氦原子在這樣的一個(gè)約束條件下，最終的平均相干長度為840nm。

第二個(gè)問題的解決：在電子渦旋的形成中，研究人員利用了基于厚度變化調(diào)節(jié)的螺旋相位板來產(chǎn)生電子渦旋。對于波長較短的重粒子束(如原子和分子)來說，制造這樣的相位板具有極大挑戰(zhàn)性，這是由于螺旋形厚度剖面具有很高的要求精度。其次，原子和分子通過相位板的概率分布較低，所以利用螺旋相位板進(jìn)行原子和分子渦旋的產(chǎn)生進(jìn)一步受到了限制。但隨著納米技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)問題也被解決了，納米刻蝕技術(shù)能夠使傳輸光柵的周期非常小(小到幾十納米)，這樣就可以應(yīng)用于物質(zhì)波的衍射。實(shí)現(xiàn)物質(zhì)波的渦旋形態(tài)，可以讓原子或者分子通過叉型光柵衍射形成。叉型光柵的形成是利用渦旋光與平面光相干而形成，即渦旋光束與略微有傾斜的平面波相干形成一個(gè)與渦旋拓?fù)浜蓴?shù)相關(guān)的叉型圖樣。最后，利用計(jì)算全息的方式進(jìn)行二值化處理。為了實(shí)現(xiàn)信號的加強(qiáng)，可以將衍射光柵做成陣列的模式，而為了避免相干信號之間的串?dāng)_，彼此單元之間的距離要相對較大。

圖3：環(huán)形圖案揭示了原子渦旋光束的存在，每個(gè)甜甜圈形狀對應(yīng)一束具有不同軌道角動(dòng)量的氦原子（圖源：Science）

在本篇前沿報(bào)道中，研究者不僅展示了亞穩(wěn)態(tài)氦原子的渦旋光束，而且還探測到了氖原子和氦二聚體的渦旋光束，這些原子和分子光渦旋的報(bào)道當(dāng)屬第一次。

作者們還提出了一項(xiàng)非常有意思的基礎(chǔ)測試構(gòu)想——即對質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。作者們構(gòu)想可以將本方法應(yīng)用于氫原子(由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子構(gòu)成)，然后進(jìn)行電離就可以產(chǎn)生質(zhì)子渦旋光束。因?yàn)橄褓|(zhì)子、原子和分子，這類粒子的波函數(shù)除了質(zhì)心部分外，還有描述其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的部分。而渦旋光束的軌道角動(dòng)量，能給研究者們提供一個(gè)額外控制總角動(dòng)量與揭示粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新方法。

正如作者們所描述的，這類研究可以進(jìn)行原子躍遷選擇定則的修正、觀察微觀粒子物質(zhì)波與其它自由度的耦合以及創(chuàng)造混合旋轉(zhuǎn)態(tài)等基礎(chǔ)物理問題。

參考文獻(xiàn)：

1. Controlling neutron orbital angular momentum；Charles W. Clark et. al; Nature | Vol 525| 2015;

2. A quantum vortex made of atoms; Oleg Kornilov; Science, 373 (6559), DOI: 10.1126/ science. abk1565;

3. L. Allen, M. W. Beijersbergen, R. J. C. Spreeuw, J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 45, 8185 (1992);

論文信息：

Luski et al., Science 373, 1105–1109 (2021) 

https://doi.org/10.1126/science.abj2451

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

歡迎課題組投稿——新聞稿

轉(zhuǎn)載/合作/課題組投稿，微信：447882024

帶您每天讀1篇文獻(xiàn)！加入>Light讀書會(huì)