在冷却到几乎绝对零度的情况下，原子不仅像光一样以波的形式移动，而且还可以聚焦成被称为“焦散线”的形状，类似于光在游泳池底部或通过一个弯曲的酒杯所产生的反射或折射图案。在华盛顿州立大学的实验中，科学家们已经开发出一种技术，通过在冷原子激光的路径上放置有吸引力或排斥性的障碍物来看到这些物质波的焦散线。


其结果看上去像是弯曲的尖顶或褶皱，向上或向下的"V"形，研究人员在《自然通讯》的一篇论文中描述了这一点。



虽然这是基础性研究，但这些焦散线有可能应用于高度精确的测量或计时设备，如干涉仪和原子钟。


"这是一个美丽的演示，说明我们如何能够以一种非常类似于操纵光的方式来操纵物质波，"WSU杰出教授、该论文的资深作者Peter Engels说。"原子被重力加速，因此，我们可以模拟出用光很难看到的效果。另外，由于原子对许多不同的东西都有反应，我们可以潜在地利用这一点来制造新型的传感器，这些传感器在检测磁场、电场梯度或重力方面特别出色。"


为了实现这些效果，科学家们首先必须创造一个地球上最冷的地方，他们能够在WSU的基础量子物理实验室中完成。Engels和他的同事们使用光学激光器从被困在真空室内的原子云中取出能量，将其冷却到非常接近绝对零度（-273.15摄氏度或-459.67华氏度）。


这种极端的寒冷使得原子的量子力学行为与我们熟悉的自然规律非常不同。在这些条件下，原子的行为不是像物质粒子一样，而是像波一样移动。由这种原子形成的云被称为玻色-爱因斯坦凝结物，是以最早预测这种物质状态的理论家阿尔伯特·爱因斯坦和萨蒂安德拉·纳特·玻色命名的。


在探索这些凝聚体的过程中，WSU的研究人员创造了一个冷原子激光器，这意味着波状原子开始排成一列并一起移动。


论文第一作者马伦-莫斯曼（Maren Mossman）说："激光是一种准直的、连贯的光子流，而我们基本上是在用原子做这件事，"他作为WSU的博士后研究员参与了这个项目，现在是圣地亚哥大学物理学的克莱尔-布特-卢斯助理教授。"这些原子有点像走在一起，表现得像一个物体。因此，我们决定看看如果我们戳一下它会发生什么。"


在这项研究中，研究人员通过在原子激光器的路径上放置光学障碍物来"戳"它，基本上是将特定波长的激光照射到加速的原子流中。一种障碍物类型排斥原子，并在向下的褶皱形状中产生焦散线；另一种障碍物吸引原子，在向上的尖顶形状中产生焦散线。研究人员说，该系统也是非常可调的，这意味着他们可以改变原子加速的速度。原子激光器中的苛化现象从未真正被研究过，且具有如此的灵活性。