创造并控制新形态物质的行为，是科学研究中十分活跃的领域。
一项新研究发现了一种利用激光塑造超冷原子的方法。
将原子冷却至接近绝对零度（-273°C），使科学家能够探索原本不可能研究的物理现象。
让原子按人们的意愿行动并不容易，但这正是许多突破性物理学研究的核心。
创造并控制新形态物质的行为尤其令人关注，也是一个活跃的研究领域。我们的新研究发表于《物理评论快报》，揭示了一种利用激光将超冷原子塑造成不同形状的全新方法。
超冷原子被冷却至接近绝对零度（-273°C），研究人员对此十分感兴趣，因为它们让人们得以观察和探索原本不可能研究的物理现象。在这种比外太空还冷的温度下，一群原子会形成一种新的物质状态（既非固体、液体，也非气体），称为玻色–爱因斯坦凝聚态（BEC）。2001年，物理学家因实现这种凝聚态而获得诺贝尔奖。
BEC的显著特征是其中的原子表现得与通常预期大不相同。它们不再像相互独立的粒子那样运动，而是具有相同的（极低）能量，并彼此协调一致。
这类似于来自太阳的光子（光粒子）与激光束中光子的区别：太阳光子可能具有许多不同的波长（能量），并各自独立振荡；而激光束中的光子波长相同，并同步振荡。
在这种新的物质状态下，原子的行为更像一个单一的波状结构，而非一群独立粒子。研究人员已展示了两个不同BEC之间呈波状的干涉图样，甚至制造出移动的“BEC液滴”。后者可以看作激光束的原子等效物。
移动的液滴
在我们最近开展的研究中，我们与同事戈登·罗布和吉安-卢卡·奥波合作，探究如何利用特殊形状的激光束操控BEC中的超冷原子。利用光移动物体并非新概念：光照射到物体上时，会施加一种（非常微弱的）力。这种辐射压力正是太阳帆这一概念的原理：阳光对大型镜面施加的力可用于推动航天器在太空中飞行。
不过，在这项研究中，我们使用了一种特殊的光，它不仅能“推动”原子，还能使原子绕行，效果有点像“光学扳手”。这些激光束呈明亮的环状（或甜甜圈状），而不是光斑，并且具有扭曲的（螺旋形）波前，如下图所示。
在适当条件下，当这种扭曲的光照射到一个移动的BEC上时，其中的原子会先被吸引到明亮的光环附近，然后绕环旋转。随着原子旋转，光和原子都会开始形成液滴；这些液滴围绕激光束原来的传播方向运行，随后向外喷射，远离光环。
液滴的数量是光扭转次数的两倍。通过改变初始激光束的扭转次数或方向，我们能够完全控制形成的液滴数量，以及液滴随后旋转的速度和方向（见下图）。我们甚至能够阻止原子液滴逃离光环，使它们继续绕行更长时间，从而产生一种超冷原子流。
超冷原子流
将扭曲的光照射到超冷原子上，这种方法开辟了一条全新而简单的途径，可用于控制和塑造物质，使其形成更多非常规且复杂的形状。
BEC最令人振奋的潜在应用之一，是构建“原子电子学电路”：利用光场和/或磁场引导并操控超冷原子的物质波，形成先进的电子电路及器件等效物，例如晶体管和二极管。能够可靠地操控BEC的形状，最终将有助于构建原子电子学电路。
在这里，我们的超冷原子表现得像一个“原子电子学超导量子干涉器件”，有望提供远优于传统电子技术的器件。这是因为中性原子造成的信息损失少于通常构成电流的电子。我们也能够更轻松地改变器件的特性。
然而，最令人振奋的是，我们的方法有望制造出复杂的原子电子学电路，而这类电路根本不可能用普通材料设计出来。这有助于设计高度可控且易于重新配置的量子传感器，用来测量微弱到原本无法测量的磁场。这类传感器将会很有用，应用领域包括基础物理研究、发现新材料以及测量大脑信号。
