魏茨曼科學研究院的研究人員首次創造了由原子和分子組成的渦流束。在《科學》雜誌上發表的一項新研究中，來自魏茲曼科學研究院的研究人員與來自以色列理工學院和特拉維夫大學的合作者一起，首次創造了由單個原子構成的“旋渦”。這些“旋渦”可以幫助回答有關亞原子世界內部運作的基本問題，並被用來加強各種技術–例如，通過為原子顯微鏡提供新的能力。
科學家們長期以來一直在努力在實驗室中產生各種類型的納米級渦流，最近的重點是創造渦流束–具有旋轉特性的粒子流–甚至它們的內部量子結構都可以被製成旋轉。由基本粒子、電子和光子組成的渦流在過去已經通過實驗被創造出來，但直到現在，原子的渦流束只作為一種思想實驗存在。Yair Segev博士說：“在與以色列理工學院的Ido Kaminer教授進行理論辯論時，我們提出了一個實驗的想法，即產生單個原子的渦流，”他最近在魏茲曼化學和生物物理系的Edvardas Narevicius教授的小組完成了他的博士研究。
在經典物理學中，旋轉的物體通常以一種被稱為角動量的屬性為特徵。與線性動量類似，它描述了使運動物體停止在其軌道上所需的努力，或者說，使其停止旋轉。渦流–以圍繞軸線的通量循環為特徵–在其旋轉中完美地體現了這一特性。
然而，自然發生的大大小小的旋渦所具有的角動量這一非常基本的特性，在量子尺度上卻有了不同的變化。與它們的經典物理學等價物不同，量子粒子不能採取任何角動量值；相反，它們只能採取離散部分的值。另一個區別是渦旋粒子攜帶角動量的方式–不是作為一個剛性的、旋轉的螺旋槳，而是作為一個圍繞其自身運動軸流動和扭曲的波。
這些波可以被塑造和操縱，類似於防波堤被用來引導靠近岸邊的海水流動，但規模要小得多。Narevicius小組的博士生Alon Luski說：“通過在原子的路徑上放置物理障礙，我們可以將其波的形狀操縱成各種形式。”Luski和Segev與他們小組的Rea David一起領導了這項研究，他們與特拉維夫大學的同事合作，開發了一種指導原子運動的創新方法。他們創造了被稱為光柵的納米”防波堤”圖案–直徑為幾百納米的微小陶瓷盤，具有特定的狹縫圖案。當狹縫被排列成叉狀時，通過它們的每個原子的行為就像一個流過物理障礙物的波，以這種方式獲得角動量並出現一個旋轉的漩渦。這些”納米叉”是通過納米製造工藝生產的，該工藝是由魏茲曼化學研究支持部的Ora Bitton博士和Hila Nadler專門為該實驗開發的。
為了產生和觀察原子渦流，研究人員將一束超音速的氦原子射向這些分叉的“光柵”。在到達“光柵”之前，光束通過一個窄縫系統，阻擋了一些原子，只傳輸那些行為更像大波的原子–那些更適合被“光柵”塑造的原子。當這些”波浪形”原子與”叉子”相互作用時，它們被塑造成旋渦，其強度被一個探測器記錄並拍照。
這很像風暴眼，這些”甜甜圈”的中心代表了每個原子漩渦最平靜的空間–那裡的波的強度為零，所以在那裡沒有發現原子。這導致了一個由數百萬個與探測器碰撞的漩渦氦原子構建的甜甜圈狀圖像。Segev說：“當我們看到甜甜圈形狀的圖像時，我們知道我們已經成功地創造了這些氦原子的渦流。很像風暴眼，這些‘甜甜圈 ’的中心代表着每個原子漩渦最平靜的空間–那裡的波的強度為零，所以在那裡沒有發現原子。“‘甜甜圈’是一系列不同渦流束的指紋，”Narevicius解釋說。
在實驗過程中，研究人員做了一個奇怪的觀察。“我們看到，在形狀完美的甜甜圈旁邊，也有兩個小點的‘噪音’，”Segev說。“起初我們認為這是一個硬件故障，但經過廣泛的調查，我們意識到，我們所看到的實際上是不尋常的分子，每個分子由兩個氦原子組成，在我們的光束中被連接在一起。” 換句話說，他們不僅產生了原子的渦流，而且還產生了分子的渦流。
儘管研究人員在他們的實驗中使用了氦氣，但該實驗裝置可以容納對其他元素和分子的研究。它也可以用來研究隱藏的亞原子特性，例如質子或中子的電荷分佈，這些電荷只有在原子旋轉時才會顯示出來。Luski舉了一個機械鐘的例子。“機械鐘是由微小的齒輪組成的，每個齒輪以一定的頻率運動，與原子的內部結構相似。現在想象一下，把那個鐘拿去旋轉–這種運動可以改變齒輪的內部頻率，而內部結構也可以表現在渦流的屬性上。”
實驗中的每一個氦原子都被塑造成一個直徑為1微米的旋渦波–比其原始尺寸大1萬倍。除了提供一種研究物質基本屬性的新方法外，原子渦流束還可能在一些技術應用中找到用途，例如在原子顯微鏡中。旋轉的原子和任何被調查的材料之間的相互作用可能會導致發現該材料的新特性，為許多未來的實驗增加重要的、以前無法獲得的數據。