在一些開創性物理學的研究領域，對冷卻到接近絕對零度（-273°C）的超冷原子進行操控，是眾多物理學家的熱情所在。因為在如此低溫下，原子能表現出許多非凡的物理現象，這些現象在常規條件下是不可能發生的。

在一篇發表于《物理評論快報》的新研究中，一個研究團隊就開辟了一種利用激光照射在超冷原子上，進而將物質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）

第五種物質狀態

你或許對物質的三種最常見的狀態——固體、液體和氣體——非常熟悉，但這三態并非物質狀態的全貌。1995 年，一個物理學家團隊利用磁場，在接近絕對零度的寒冷條件下，使原子可以形成了一種有別于固、液、氣的物質狀態——玻色 - 愛因斯坦凝聚（BEC）。自那之后，這種奇異的量子態便經常出現在全世界數百個不同的實驗室中。

BEC 也常被稱為第五種物質狀態，處于這種狀態的原子有著預期之外的非常規行為。它們不再表現得像是單個獨立的粒子，而是會呈現出一種統一的狀態，所有的原子會好似被結合在了一起，都具有相同的、非常低的能量，表現得像一個單一的、和諧的物體。

我們可以用一個簡單的類比來幫助理解這種物質狀態：普通的物質狀態就好比來自太陽光的光子，這些光子之間是有差異的，它們獨立振蕩，有著不同的波長和能量；而 BEC 就好比是來自激光束的光子，它們一起振蕩，且都有著相同的波長。

移動的 BEC 液滴

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

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

具有軌道角動量的光，能夠在移動時扭轉。（圖 /Henderson et al）

當這種扭曲的光照射到移動的 BEC 上時，這些原子會先被吸引到明亮的環上，然后繞之旋轉。當原子旋轉時，光和原子會一起形成所謂的 "BEC 液滴 "。在這些液滴在被噴射出環外之前，它們會繞著激光束原本的方向旋轉。

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

扭曲的光照射到一個移動的 BEC 上，將其雕刻成一個環，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，然后脫離并扭曲。（圖 /Henderson et al）

超冷原子流

新的研究通過用扭曲光照射超冷原子，開辟了一種簡單的可控制和塑造物質，使其形成更加復雜的形狀的方法。

通過阻止 BEC 液滴從環中逃逸，讓它們就在環形軌道上運行更長時間，研究人員能創造出一種超冷原子流。這些超冷原子就像是一個原子電子學的超導量子干涉儀。原子電子學是一個新興的領域，旨在操控在物質波回路中運動的超冷原子。

在原子電子學回路中，超冷原子的物質波可以被光或磁場引導和操縱，形成各種先進的電子電路和器件。與傳統的電子學相比，它們有望帶來更加先進優越的儀器。這是因為中性的原子會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。

能夠穩定可靠地操縱 BEC 的形狀，最終將有助于創建原子電子學回路。令人興奮的是，新研究所開辟的新方法，讓生成復雜的原子電子學回路成為了可能，這是用普通材料所無法企及的。這將有助于設計出高度可控且易于重構的量子傳感器，能夠測量在其他情況下都無法測量的微小磁場。這種傳感器將在從基礎物理研究到發現新材料或測量來自大腦的信號等領域發揮作用。