研究前沿：Science观点-原子构成的量子漩涡

编者按：德国马克斯·玻恩研究所Oleg Kornilov在Science上发表观点文章，评述了原子和分子的涡流束技术（DOI: 10.1126/science.abj2451）

涡流，具有非凡的稳定性。漩涡、龙卷风及黑洞周围，可以自然地产生涡流。在量子物理学中，涡流通常存在于粒子集合中，例如超流体、超导体和玻色-爱因斯坦凝聚态。直到 1992 年，艾伦等人才解决了单个粒子的运动是否可以代表涡旋的问题。表明激光束中的光子，可以像涡旋一样携带轨道角动量 (OAM)。此后开发了多种产生和检测光学涡旋光束的方法，并应用于许多科学领域，并且还产生了另一种基本粒子电子的涡旋光束。在本期提出一种产生较大复合粒子原子和分子的涡流束技术。

涡旋的稳定性是角动量守恒的表现，是由诺特定理，在各向同性空间中的应用推导出来的。简单地说，在各向同性介质（一种在所有方向上具有相同属性的介质）中，涡旋中角动量守恒使其保持旋转，就像龙卷风或漩涡一样。在经典物理学中，可以在流体中观察到涡流，但单个自由粒子沿直线轨迹运动，不可能出现涡旋状的螺旋运动。量子世界的情况有所不同，所有粒子都可以用波函数表示，正如德布罗意在 1924 年提出的。波函数的质心部分实际上可以携带角动量，在没有外部相互作用，正如诺特定理所规定的那样。

光子粒子涡流，激光束携带 OAM，因为波的相位，围绕传播轴旋转圈数定义了光子的量化 OAM。在光束的中心，相位保持不确定（所谓的位错点），因此，光束中心有一个孔。已经开发了几种产生 OAM 光束的方法，例如应用圆形相位掩模，或使用具有位错的光栅，其应用包括光镊、直接观察外星行星和电信。

电子也可以用波来表示，自由电子波函数，也可以被整形以携带 OAM。涡流束 于 2010 年通过使电子束穿过，由石墨薄膜制成的相位掩模产生。这项研究证实了光波和物质波之间的对应关系，并激发了使用电子涡旋束的基础研究。

图为在经典物理学中，粒子必须相互作用才能形成漩涡，但在量子物理学中，单个粒子可以形成漩涡。 将量子涡旋形成扩展到氦原子（彩色点）。

与质子、原子和分子不同，光子和电子都是没有内部结构的基本粒子。这种粒子的波函数，除了质心部分，还有描述其内部结构的部分。如果测量可以将波函数的质心部分与内部部分耦合，那么涡旋光束可以为实验者提供对总角动量的额外控制，并揭示内部结构的特性。

复合粒子比电子重，其德布罗意波长通常更短。较短的波长，使得实现相干（波状）光束变得更加困难。随着纳米技术的发展，这个问题得到了克服，纳米技术允许制造适合物质波衍射的非常小周期（低至几十纳米）的透射光栅。这些衍射实验已经得到证明，随后被应用于原子、分子和簇的实验，使用这种光栅分离氦的Efimov三原子纠缠态。

准直良好的氦原子束，但处于亚稳态，并发送到包含位错的纳米光栅。这种光栅位错可以在衍射光束中引起圆形相位，检测到的衍射光束是涡旋光束。类似于光学涡旋光束和经典涡旋，光束中心有一个孔，波函数的相位围绕位错轴旋转（见图）。这种通用的方法，可以拓展于所有可能以足够明确的速度成形为光束的粒子，因为速度决定了德布罗意波长。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1565

本文译自“Science”。