Science：涡旋光束！原子分子开始旋转

撰稿 | 杨大海（哈尔滨工业大学 博士生）

涡旋现象，在很早以前就被科学家们关注到了。直到1989年，法国科学家P. Coullet提出了光学涡旋的概念，指一种具有流体动力学涡旋性质的一类光场。而真正将光学涡旋推向研究高峰的人，应该是英国物理学家L. Allen。正是Allen等人的实验，证明了涡旋光束（名词解释>）具有轨道角动量。从此，对涡旋光束的研究掀开了一个新的篇章。

图1：光学涡旋研究早期的历史简介（制图：撰稿人 杨大海）

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Allen等人通过实验和理论都证实了，涡旋光束具有轨道角动量。从物理光学的角度看，这是由于涡旋光束具有螺旋形的相位波前；而从量子物理学角度来看，构成涡旋光束的光子是可以携带轨道角动量的。

在经典物理学框架下，单个自由粒子应该是沿着直线轨迹运动的，而呈现一个涡旋状的螺旋运动这是不可能的。但是，在量子物理的世界里这一切将变得与众不同，而涡旋光束中的光子具有轨道角动量就是一个很好的证明。

光子，是爱因斯坦为了解释光电效应而提出的。光子是电磁辐射的载体，在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的基本粒子。

光子这样的基本粒子可以携带有轨道角动量，那么对于像光子一样的一些基本粒子（名词解释>）是否也是可以携带有轨道角动量，即产生涡旋现象呢？

因为在量子物理学框架下，所以的微观粒子都可以用波函数来表示，这是1924年德布罗意提出的物质波理论。电子的涡旋现象，在2011年被科学家们所报道。研究者将电子束穿过由石墨薄膜制成的螺旋相位掩模，制造出了电子涡旋光束。这项研究证实了光学波和物质波之间的对应关系，并开启了利用电子涡旋光束来做基础研究的先河。

除了光子和电子等基本粒子外，人们还提出了各种关于制造复合粒子（名词解释>）（可以再分的粒子：如中子、质子和原子等）涡旋光束的建议。曾有人尝试给予中子赋予轨道角动量（OAM），但由于相干长度不足而受阻。而到目前为止，还没有在实验情况下创造出非基本粒子（本文指：氦原子和氦二聚体分子）的涡旋光束。

近日，来自以色列魏茨曼科学研究所，Edvardas Narevicius领导的研究团队创造了有史以来第一个原子涡旋光束——一种由原子和分子组成的漩涡龙卷风。该成果以“Vortex beams of atoms and molecules”为题，发表于 Science。

文中研究者们通过实验发现了分子和原子涡旋光束，其波源来源于氦原子和亚稳态的氦二聚体（氦二聚体是氦原子气体在放电超音速膨胀后形成的分子）。氦原子波束通过一个纳米级透射叉型光栅，产生了原子和分子涡旋。其实，作者们提出的方法具有普适性，可以应用于大多数原子和分子气体。而这项成果的诞生也可能开启了轨道角动量应用的一个新物理前景，即可以通过OAM这一格外自由度来探测原子的相互碰撞以及改变原子之间的基本相互作用等。

图2：产生和探测原子和分子涡旋光束的实验装置（图源：Science / 制图：撰稿人 杨大海）

在进行原子和分子涡旋光束的实验中，需要克服很多困难。其中最为典型是：

1、实现一个具有大横向相干长度的传播源；

2、复合粒子比电子重，它们的德布罗意波长通常较短。而波长越短，实现相干就越困难。

第一个问题的解决：利用一个可以产生很窄速度分布的氦脉冲源（pulsed Even-Lavie valve），粒子的纵向波长可以通过改变阀门的温度来控制的，温度越低，光束越慢，波长也就越长。通过冷却到115K即零下158.15度时，氦原子流的速度达到超音速1090m/s，利用德布罗意公式（名词解释>），可计算出其波长为90pm。而这个相干长度通常是通过选择到达光栅的粒子的横向速度范围来控制的。所以在阀门下游40cm处放置了两个垂直的狭缝来限制径向传播，只允许一束准直的波束通过150μm，并且利用喇叭形漏斗来约束其扩散，最后通过选择到达叉型光栅的传播距离来限制发散角。所以，对于氦原子在这样的一个约束条件下，最终的平均相干长度为840nm。

第二个问题的解决：在电子涡旋的形成中，研究人员利用了基于厚度变化调节的螺旋相位板来产生电子涡旋。对于波长较短的重粒子束(如原子和分子)来说，制造这样的相位板具有极大挑战性，这是由于螺旋形厚度剖面具有很高的要求精度。其次，原子和分子通过相位板的概率分布较低，所以利用螺旋相位板进行原子和分子涡旋的产生进一步受到了限制。但随着纳米技术的发展，这个问题也被解决了，纳米刻蚀技术能够使传输光栅的周期非常小(小到几十纳米)，这样就可以应用于物质波的衍射。实现物质波的涡旋形态，可以让原子或者分子通过叉型光栅衍射形成。叉型光栅的形成是利用涡旋光与平面光相干而形成，即涡旋光束与略微有倾斜的平面波相干形成一个与涡旋拓扑荷数相关的叉型图样。最后，利用计算全息的方式进行二值化处理。为了实现信号的加强，可以将衍射光栅做成阵列的模式，而为了避免相干信号之间的串扰，彼此单元之间的距离要相对较大。

图3：环形图案揭示了原子涡旋光束的存在，每个甜甜圈形状对应一束具有不同轨道角动量的氦原子（图源：Science）

在本篇前沿报道中，研究者不仅展示了亚稳态氦原子的涡旋光束，而且还探测到了氖原子和氦二聚体的涡旋光束，这些原子和分子光涡旋的报道当属第一次。

作者们还提出了一项非常有意思的基础测试构想——即对质子内部结构的研究。作者们构想可以将本方法应用于氢原子(由一个质子和一个电子构成)，然后进行电离就可以产生质子涡旋光束。因为像质子、原子和分子，这类粒子的波函数除了质心部分外，还有描述其内部结构的部分。而涡旋光束的轨道角动量，能给研究者们提供一个额外控制总角动量与揭示粒子内部结构的新方法。

正如作者们所描述的，这类研究可以进行原子跃迁选择定则的修正、观察微观粒子物质波与其它自由度的耦合以及创造混合旋转态等基础物理问题。

参考文献：

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);

论文信息：

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

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

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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