旋渦可能會讓人聯想到螺旋形水流或龍捲風，但它們也能夠存在於更小的尺度上。在國際期刊《Science》發表的一項新研究中(註一)
，魏茨曼科學研究學院與以色列理工學院和臺拉維夫大學的研究人員首次創造了由單個原子組成的旋渦。這些旋渦可以幫助研究人員了解原子內部的運作機制，並為原子顯微鏡提供新功能。
長久以來科學家們致力於在實驗室中產生各種類型的奈米級旋渦，最近的重點則是創造單原子旋渦，也就是具有旋轉特性的粒子流，它們的內部量子結構也甚至可以旋轉。由電子和光子等基本粒子組成的旋渦在過去已透過實驗實現，但直到現在原子旋渦仍停留於想像階段。魏茨曼科學研究學院的Yair Segev博士表示，在與以色列理工學院的Ido Kaminer教授進行討論後，我們想出了一個可以產生單個原子旋渦的實驗想法。
在古典物理學中，旋轉物體通常具有角動量的特性。與線性動量類似，角動量描述了阻止移動物體在其軌道上移動，或者阻止它旋轉所需施加的力，以圍繞軸的不間斷循環為特徵的旋渦則完美地體現了這一特性。然而旋渦的角動量基本特性在量子尺度上則會呈現出不同的特性，與古典物理學不同的是量子粒子並不具有任何角動量，它們只能呈現離散數值，稱為quanta（量子）。另一個區別在於旋渦粒子攜帶角動量的方式不是古典剛體旋轉的形式，而是圍繞其自身運動軸流動和扭曲的波。
Alon Luski博士表示，這些波能夠用類似防波堤引導海水流動的方式來控制，但規模要小得多。透過在原子前進的路徑上放置障礙物，我們可以操控波的各種形狀。Luski和Segev與他們團隊的Rea David一起帶領這項研究，他們與臺拉維夫大學的研究人員合作開發了一種操控原子移動的創新方法。他們創造了稱為光柵的「奈米防波堤」，這是一種微小的陶瓷裝置，直徑為數百奈米並帶有特定的狹縫圖案。當狹縫排列成叉狀時，每一個穿過狹縫的原子都表現得像波浪一樣穿過物理障礙，進而獲得角動量並以旋渦的形式出現。這些奈米叉由魏茨曼科學研究學院的Ora Bitton和Hila Nadler博士專門為此實驗開發。為了產生和觀察原子旋渦，研究人員的目標是在這些分叉光柵上產生超音速氦原子束。在到達光柵之前，原子束通過一個狹窄的狹縫系統以阻擋一些原子，並只讓更容易產生大波的原子通過。當這些波浪狀原子與分叉光柵相互作用時，旋渦便會形成且被偵測器記錄。
這因此產生由數百萬個與偵測器碰撞的氦原子旋渦構成的甜甜圈圖像。Segev表示，當我們看到甜甜圈形狀的圖像時，我們知道我們已經成功創造了這些氦原子旋渦，就像暴風眼一樣，這些甜甜圈的中心代表每個原子旋渦最平靜的區域，那裡的波強度為零，也沒有發現任何原子。實驗過程中我們也觀察到奇怪的現象，在形狀完美的甜甜圈旁邊還有兩個小點，起初我們認為這是儀器故障，但經過深入分析後我們所看到的其實是由兩個氦原子組成的分子，它們在原子束中連接在一起。換句話說，它們不僅產生原子旋渦，也產生了分子旋渦。
儘管研究人員在他們的實驗中使用了氦氣，但實驗裝置也能夠適用於其他元素和分子的研究。它還可以用於研究原子的內部特性，例如只有在原子旋轉時才能顯示的質子或中子的電荷分佈。Luski以機械鐘為例，機械鐘由微小的齒輪和裝置組成，每個齒輪都以一定的頻率運動，類似於原子的內部結構。現在想像一下拿著這個時鐘並旋轉它，這種運動可以改變齒輪的內部頻率，內部結構也可以用旋渦的特性來表達。除了提供一種研究物質基本特性的新方法外，原子旋渦還可以用於多種技術應用，例如原子顯微鏡。旋轉原子與任何研究材料之間的相互作用能夠用來發現該材料的新特性，為許多未來的實驗增加重要且先前無法獲得的數據。
(註一)https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj2451
資料來源：
https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/vortex-nanometric-teacup-0
