除了“直光”，“甜甜圈光”终被发现

来源：中科院物理所

1.

在科学研究方面，我们总能发现一些新的东西，这并不稀奇。但发现新的基本性质就不常见了。最近，西班牙和美国的物理学家发现了光的一种新特性：光的轨道角动量（OAM，也就是扭转度）可以随着时间迅速发生变化。他们将光的这种新属性命名为“自扭矩”。上周，在一篇发表于《科学》期刊的论文中，他们详细描述了光的这一新特性是如何被发现的。

我们对光的性质并不陌生，从很久以前，物理学家就熟知许多与光的波长有关的性质。例如自旋角动量就是光的一种常见性质，这种性质表现在光的偏振性上。

到了1992年，科学家发现当激光束穿过贝壳状的透镜时就会发生扭转，从而获得轨道角动量这种特殊性质。具有这种性质的光束被称为涡旋光束，它能使光束的波前以螺旋的形式绕着传播轴扭转，从而使光束的核心强度为零。当把这种激光照射在一个平面上时，会呈现出一个中空的胖胖的环，或者更通俗地说，像个甜甜圈。

○ 自左向右显示的是不同光束的螺旋结构、相位波前和相应的强度分布。| 图片来源：Wikipedia

虽然从理论上说，光束可以有任意程度的扭转度，而且更大的扭转意味着波前旋转得更快。但在此之前，所有研究中的光束的扭转都是恒定的。而新的研究却显示，这种扭转是可以随着时间变化的，通过创建一个光脉冲的高频谐波，波前的旋转可以加快或减慢，这是一种前所未见的行为。

物理学家称，这种动量上的变化是由“自扭矩”产生的。那么什么是自扭矩呢？

2.

在实验中，研究人员向氩气云团发射了两束强烈的红外激光脉冲，这样做能使气体电离。当电离出的电子猛烈地与氩原子相撞时，就会以带有轨道角动量的紫外光的形式释放出多余的能量。紫外光会以单光束的形式从氩气云团的另一边射出，产生涡旋光束。

○ 将两个具有不同轨道角动量的延时红外脉冲聚焦到氩气云团上，通过高频谐波产生了“自扭矩”的紫外光光束。| 图片来源：Laura Rego et. al.

接着，研究小组又突发奇想：如果最初的两束红外激光脉冲有不同的轨道角动量，并且彼此之间存在千万亿分之一秒的不同步，又会发生什么？

结果他们发现，这种甜甜圈形状的光脉冲会以一种奇怪的方式叠加在一起，导致螺旋状的紫外光光束迅速加速扭曲，看起来就像是一个螺旋开瓶器一样，有着逐渐变化的螺旋旋转度。研究人员还发现，光束前部的单个光子绕着中心旋转的速度比光束后部的光子更慢。如果将这束紫外线激光照射在平面上，会发现它从甜甜圈变成了一轮残月。

“自扭矩”描述的就是这种新的特性。这是光的一种全新的、从未被预测过的性质。它有点类似于一个扳手在拧紧螺栓时的加速，只是对于螺栓来说，扭矩是由外部因素造成的，而在这些光束中，扭矩是自发产生的。在自然界中，真正的自扭矩非常罕见，而且通常只在极端情况下才会出现。比如当两个黑洞围绕着彼此相互旋转时，引力的相互作用会导致它们相互拉拽，从而迅速加速旋转。

3.

那么具有自扭矩的光有什么应用呢？

对此，研究人员还有点茫然。因为这个性质实在太新、太突然，以至于目前的应用并不明显。但多年前，当科学家第一次发现轨道角动量的光时，也面临过这样的茫然。而如今，物理学家已经用轨道角动量开发出了一系列的新技术，比如通过向光纤电缆中发送多个拥有不同轨道角动量值的光束，就可大大提升光纤中的数据通道；再比如具有轨道角动量的光束还可被用于制造超强大的显微镜，提高显微镜的分辨率；除此之外，它还能用于移动超级微小的纳米颗粒、量子点甚至活细胞等微观物体。

因此，这一全新的属性，为相关领域带来了无限潜能，这让整个领域的研究人员都为之兴奋。所以，接下来，就让我们记住这条光的新属性，对它能带给我们的应用前景拭目以待吧！

原文链接：

[1] https://phys.org/news/2019-06-property.html

[2] http://ct.moreover.com/?a=39576089981&p=1pl&v=1&x=gn-KeuC5Jyu3uGx3hRqCvw