新發現！物理學家發現光的新屬性

1.

在科學研究方面，我們總能發現一些新的東西，這並不稀奇。但發現新的基本性質就不常見了。最近，西班牙和美國的物理學家發現了光的一種新特性：光的軌道角動量（OAM，也就是扭轉度）可以隨著時間迅速發生變化。他們將光的這種新屬性命名為「自扭矩」。上周，在一篇發表於《科學》期刊的論文中，他們詳細描述了光的這一新特性是如何被發現的。

我們對光的性質並不陌生，從很久以前，物理學家就熟知許多與光的波長有關的性質。例如自旋角動量就是光的一種常見性質，這種性質表現在光的偏振性上。

到了1992年，科學家發現當激光束穿過貝殼狀的透鏡時就會發生扭轉，從而獲得軌道角動量這種特殊性質。具有這種性質的光束被稱為渦旋光束，它能使光束的波前以螺旋的形式繞著傳播軸扭轉，從而使光束的核心強度為零。當把這種激光照射在一個平面上時，會呈現出一個中空的胖胖的環，或者更通俗地說，像個甜甜圈。

○ 自左向右顯示的是不同光束的螺旋結構、相位波前和相應的強度分布。| 圖片來源：Wikipedia

雖然從理論上說，光束可以有任意程度的扭轉度，而且更大的扭轉意味著波前旋轉得更快。但在此之前，所有研究中的光束的扭轉都是恆定的。而新的研究卻顯示，這種扭轉是可以隨著時間變化的，通過創建一個光脈衝的高頻諧波，波前的旋轉可以加快或減慢，這是一種前所未見的行為。

物理學家稱，這種動量上的變化是由「自扭矩」產生的。那麼什麼是自扭矩呢？

2.

在實驗中，研究人員向氬氣雲團發射了兩束強烈的紅外激光脈衝，這樣做能使氣體電離。當電離出的電子猛烈地與氬原子相撞時，就會以帶有軌道角動量的紫外光的形式釋放出多餘的能量。紫外光會以單光束的形式從氬氣雲團的另一邊射出，產生渦旋光束。

○ 將兩個具有不同軌道角動量的延時紅外脈衝聚焦到氬氣雲團上，通過高頻諧波產生了「自扭矩」的紫外光光束。| 圖片來源：Laura Rego et. al.

接著，研究小組又突發奇想：如果最初的兩束紅外激光脈衝有不同的軌道角動量，並且彼此之間存在千萬億分之一秒的不同步，又會發生什麼？

結果他們發現，這種甜甜圈形狀的光脈衝會以一種奇怪的方式疊加在一起，導致螺旋狀的紫外光光束迅速加速扭曲，看起來就像是一個螺旋開瓶器一樣，有著逐漸變化的螺旋旋轉度。研究人員還發現，光束前部的單個光子繞著中心旋轉的速度比光束後部的光子更慢。如果將這束紫外線激光照射在平面上，會發現它從甜甜圈變成了一輪殘月。

「自扭矩」描述的就是這種新的特性。這是光的一種全新的、從未被預測過的性質。它有點類似於一個扳手在擰緊螺栓時的加速，只是對於螺栓來說，扭矩是由外部因素造成的，而在這些光束中，扭矩是自發產生的。在自然界中，真正的自扭矩非常罕見，而且通常只在極端情況下才會出現。比如當兩個黑洞圍繞著彼此相互旋轉時，引力的相互作用會導致它們相互拉拽，從而迅速加速旋轉。

3.

那麼具有自扭矩的光有什麼應用呢？

對此，研究人員還有點茫然。因為這個性質實在太新、太突然，以至於目前的應用並不明顯。但多年前，當科學家第一次發現軌道角動量的光時，也面臨過這樣的茫然。而如今，物理學家已經用軌道角動量開發出了一系列的新技術，比如通過向光纖電纜中發送多個擁有不同軌道角動量值的光束，就可大大提升光纖中的數據通道；再比如具有軌道角動量的光束還可被用於製造超強大的顯微鏡，提高顯微鏡的解析度；除此之外，它還能用於移動超級微小的納米顆粒、量子點甚至活細胞等微觀物體。

因此，這一全新的屬性，為相關領域帶來了無限潛能，這讓整個領域的研究人員都為之興奮。所以，接下來，就讓我們記住這條光的新屬性，對它能帶給我們的應用前景拭目以待吧！

原文鏈接：

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

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

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