宇宙中每一种原子都有一个独特的“指纹”：它只吸收和发射与其电子轨道相匹配的特定能量的光。科学家可以通过这个“指纹”，来检测识别原子的种类。例如，外太空的一个氢原子所吸收光的能量大小和地球上一个氢原子吸收的能量是完全相同的。
物理学家们已经知道电磁场如何操纵原子的特征“指纹”，每种原子吸收的光的能量数值通常是一个常数。然而，来自芝加哥大学的研究者日前在 Nature 发表了他们的最新研究成果，挑战了这个原子的本征特性。他们通过用激光来振荡粒子的外层电子，创造出一种混合粒子，使得原子除了可以吸收其本征能量，还能吸收新的能量的光，具有部分原子属性和光子属性，有着大量的新行为。
这个研究属于乔纳森·西蒙副教授实验室一项大型研究项目的一部分。西蒙实验室试图打破物质和光之间的壁垒，来研究它们的基础性质。研究结果预期不仅在量子水平上研究学习材料的行为，还可以在未来帮助创造更强大的计算机和建立几乎“坚不可摧”的量子通信。
该项研究试图让光具有物质特性的一个步骤是，让单个光束，即光子，像物质一样相互作用。通常光子以光速运动，并且不会发生相互作用。
领导该研究团队的博士后 Logan Clark 表示：“为了让光子之间能相互碰撞，我们使用原子来做中介。但我们立马就遇到一个问题，因为光子只会和那些电子轨道在特定能量的原子作用。所以我们猜想：我们可不可以给这些原子‘拷贝’一个我们想要的能量的电子轨道？”
Clark 在读博期间，已经研发出通过振荡原子从而在量子水平操纵物质的技术，被称为“Floquet 工程”。通过该技术振荡原子可以自然地让原子产生多种不同能量的量子态副本。Clark 表示：“我们当时的研究目标并不是为了让原子产生多种能量的量子态，这算是副产品。但正好在这次研究，我们可以专门通过振荡电子来产生特定的能量的电子轨道。”
通过精准改变激光场的强度，调整到能与原子电子轨道共振的频率，该团队可以改变电子的轨道。周期性地改变激光场强度，可以产生目标的电子轨道副本。

（来源：Petr Kratochvil）
但振荡后的原子还有一个重要表现，该研究的合作者 Nathan Schine 解释道：“尽管该原子有着不同能量的轨道副本，但需要注意的是，这些电子轨道的副本实际和原始轨道绑定，像‘木偶’一样。当这些轨道副本中任意一个发生改变，其原始轨道和其他轨道副本也会随之改变。”
这样一来，光子就可以和这些振荡后的原子发生反应。研究团队创造了具有部分光特性和原子特性的准粒子，他们称为“Floquet 极化子”。不像常规的光子，准粒子之间的相互作用十分强烈，而这种相互作用对让光子具有物质特性来说是必要的。这种极化子可以灵活地移动，而且可以通过新的方式相互碰撞。
Clark 表示：“Floquet 极化子充满了惊喜，我们仍在继续研究，更好理解它们的行为。我们的下一个目标，将会利用这些碰撞光子来产生光的拓扑‘流体’，届时会特别激动人心。”
可以使原子拥有多个不同能量的电子轨道副本的技术，给光学频率转换的研究提供了许多令人兴奋的可能性，因为光学频率转换是建立安全的量子通信方法的关键工具。