微观世界,原子旋涡,能否制造亚原子级显微镜?

微观世界,原子旋涡,能否制造亚原子级显微镜?

历史上第一例产生于氦原子漩涡的“原子龙卷风”

这些波束可以在看不见的亚原子细节上达到峰值。

艺术家对漩涡光束的描述。(图源:华盖创意(北京)图像技术有限公司 Weiquan Lin )

物理学家已经制造了有史以来第一束原子旋涡光束——一种由原子和分子形成的神秘而未知的旋涡。

通过将一束直的氦原子射线射向带狭缝的光栅,科学家能用量子力学的奇怪法则将波束转化为一个旋转的漩涡。

由光束的旋转带来的额外能量是轨道角动量,其赋予原子新的前进方向,使原子能朝科学家尚未预测到的方向前进。例如,他们相信原子旋转能增加磁场纬度以及其他无法预测的影响,因为漩涡原子内部的电子和原子核以不同的速度旋转。

“一种可能是这改变了原子的磁距,或者物质的固有磁性让它有了磁铁的特性。该研究的合著者,加州大学伯克利分校的物理学家耶尔·塞格夫这样告诉《生活科学》。

在简化的经典原子图中,带负电的电子绕着一个带正电的原子核运行。塞格夫说,在这种理论中,当原子作为整体旋转时,内部电子会比原子核旋转得更快,在它们旋转时“制造相反的电流”。根据迈克尔·法拉第著名的电磁感应定律,它们能够制造出各种新的磁效应,比如说指向光束中心和原子本身的磁距,以及其他无法预测的影响。

研究者通过使氦原子穿过布满600纳米宽狭缝的网格来制造这种光束。在统治微观世界的量子力学领域,原子表现出波粒二象性,氦原子穿过狭缝时发生衍射,其方向拐得过于剧烈以至于造成漩涡,在空间中螺旋前进。

接着,旋转的原子抵达一个探测器。当甜甜圈形状的环投射在探测器上时,探测器能区分并显示因为衍射程度不同而拥有不同角动量的多种光束。科学家甚至在三个漩涡中观察到更小更亮的甜甜圈形状的环。这些是氦准分子——当一个能量激发的氦原子结合在另一个氦原子上形成的的明显标志。(通常来说,氦气是惰性气体,不与其他任何物质结合。)

塞格夫说,赋予旋转光束内部原子的轨道角动量也改变了量子力学中决定旋转原子如何与其他粒子反应的“选择规则”。接着,研究者将把氦束粉碎成光子、电子和其他元素的原子,以观察它们的行为。

如果它们的旋转射束确实有不同的作用,可能被用于研制深入到未知领域细节的亚原子级的显微镜。据塞格夫说,这种光束可以通过改变撞击光束原子的图像,在某些表面上给我们提供更多的信息。

塞格夫说:“并不是能力的飞跃导致新事物的发现,而是视角的改变,科学领域中经常发生这样的事。”

九月三日,这一研究发表在了《科学》杂志上。

BY: Ben Turner

FY: Theodore0332

如有相关内容侵权,请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处