光“不走寻常路”？科学家刚刚发现光线螺旋方式传播

光“不走寻常路”？科学家刚刚发现光线螺旋方式传播

一直以来，我们所学到的光，不论在何种情况下都是以直线传播，但是随着物理探索地逐渐深入，有些超乎我们想象的存在也逐渐显露出来，并且完全颠覆了我们的一些物理常识，比如光其实“不走寻常路”，而非直路可取。

是的，一个隶属于西班牙和美国几家机构的研究小组刚刚宣布，他们发现了光的一种新特性，光并不是只有直路可走。研究人员发现，光也可以被扭曲，这一特性被称为角动量。具有高结构角动量的光束被称为轨道角动量(OAM)，称为涡旋光束。它们以螺旋的形式围绕着一个共同的中心，当它们撞击一个平面时，就会呈现出甜甜圈的形状。在这项新的研究中，研究人员在研究OAM光束时发现，这种光的行为方式是以前从未见过的。

我们很早就知道光束能同时携带能量和动量，可以对它们照射的物体施加很小但可以检测到的压力。1992年，人们认识到当光束的空间形状绕其轴旋转时，光也可以具有轨道角动量(OAM)。虽然肉眼看不见，但当光束与物质相互作用时，OAM的存在是可以被发现的。OAM光束在光通信、显微术、量子光学和微粒子操纵等领域有了新的应用。然而，迄今为止，所有的OAM波束——也被称为涡旋波束——都是静态的，也就是说，OAM不随时间变化。此次的新研究实验验证了光束的一种新特性，即沿光脉冲方向的随时间变化的角动量。

据研究人员介绍，在实验中，科学家向氩气云团发射两束激光，使得两束光束重叠，然后它们连接在一起，从氩气云团的另一边以一束的形式发射出来。结果产生了一种涡旋光束。然后，研究人员提出猜想，如果激光轨道角动量不同，如果它们稍微不同步，会发生什么。这就产生了一个光束，它看起来像一个螺旋塞钻，螺旋的扭曲度在逐渐变化。当光束击中一个平面时，它看起来像一个新月。研究人员注意到，从另一个角度看，光束前部的单个光子绕其中心旋转的速度比光束后部的光子慢。研究人员立即将这种新特性命名为“自扭矩”，而且它与轨道角动量的时间变化有关。这不仅是一种新发现的光的特性，也是一种从未被预测过的特性。

尽管自扭矩存在于不同的物理系统中(如电动力学和广义相对论)，但到目前为止，人们还没有意识到光在没有外力参与的情况下可以具有这样的性质。

但是现在我们已经从理论上预测和实验上产生了光束，它具有一种新的特性，它就是光的自扭矩，其中OAM的含量沿脉冲本身的时间变化非常快。光的这种固有特性为创建结构化光束开辟了额外的路径。此外，由于OAM值在飞秒时间尺度上发生变化，在波长比可见光短得多的情况下，自旋HHG光束可以在毫秒时间和纳米空间尺度上成为激光物质处理的出色工具。

研究人员认为，利用他们的技术来调制光的轨道角动量应该是可能的，其方式与调制通信设备中的频率非常相似，这种动态涡旋脉冲可以用于在超快时间尺度上操纵纳米结构和原子。因此它可以为我们提供控制磁性、拓扑和量子激振的能力，以及在分子和纳米结构的自然时间和长度尺度上操纵它们的能力。