快来看!这里有一只光做的牛角包!

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光学物理学家向氩气发射了两个延时激光脉冲,发现了光的新特性:自扭矩。将这种激光照射在平面上,会产生牛角包形状的光坑。
绘制:KEVIN DORNEY, KAPTEYN-MURNANE GROUP, JILA - UNIVERSITY OF COLORADO BOULDER
 
撰文:ADAM MANN
 
  想象一下,把一堆甜甜圈堆在一起会发生什么?光学物理学家的答案一定出乎你的意料:一只牛角包。
 
  这个答案是有科学依据的!一项新研究发现了光的新特性:自扭矩。科学家用一道旋转的激光束发现了光子的秘密:这道光束旋转的速度越来越快,就像一小块灰尘旋转着落到下水道里一样。研究结果发表于6月27日的《科学》杂志,也许有一天,科学家可以据此改进通讯技术和发现操纵微观物体的新方法。
 
   “科学界经常有新发现,但发现新的基本特性就不那么常见了,”研究合著者、美国科罗拉多大学博尔德分校暨国家标准与技术研究所的物理化学家Kevin Dorney说道。
 
极端光学“烘焙”
 
  牛角包形状的激光始于一种具有轨道角动量性质的光。1992年科学家才发现光的这种特性,当激光束穿过贝壳状的透镜时,就会产生这种现象。光看起来像一个有中心点的螺旋形开瓶器。而当激光照射在平面上时,则呈现出中央有洞的大圈,或者更通俗地说,很像一只甜甜圈。
 
  在这条路线上放置一个纳米大小的粒子,它会像行星围绕恒星那样旋转起来。
 
  Dorney和同事一直在研究如何让电磁波谱(即极紫外区)的光具有轨道角动量。这个区域介于黑光灯发出的紫外线和医疗上用的高能X射线之间。
 
  极紫外激光需要用两束红色的激光脉冲射向气态氩原子。Dorney解释说,红色激光将电子从氩原子中解放出来,然后电子“就像冲浪者一样,随着激光束前行,并获得能量”。当新释放出的电子猛烈地撞回氩原子时,它们会释放出多余的能量,形成具有轨道角动量的极紫外光子。
 
  研究团队想知道,如果最初的红色激光脉冲的轨道角动量速度不同,且两者之间有几千万分之一秒的不同步,会发生什么。模拟显示,这种甜甜圈形状的脉冲会以一种奇怪的方式叠加在一起,使得螺旋状的极紫外激光束迅速加速扭曲。在这些模型中,紫外线激光的横截面仿佛一弯残月,或者说,像一只牛角包。
 
  Dorney说:“你想象不到,甜甜圈叠加后竟然会得到一只牛角包。” 但可以肯定的是,当研究人员用实际光源做实验时,“我们按下按钮,它从甜甜圈变成牛角包,然后又变了回来”。
 
光明的未来
 
  研究团队把新发现的特性称之为“自扭矩”,因为有点像扳手在加速拧紧螺栓,但在这里,扭矩是外部因素造成的,有一只手在给扳手加速。在自然界中,真正的自扭矩只存在于极少数系统,通常发生在极端情况下。例如,当两个黑洞围绕彼此旋转时,它们之间的相互引力会导致彼此拉扯,并加速旋转。
 
那么光的自扭矩特性有什么用呢?
 
  Dorney说:“简言之,我们还在研究中。这是一个非常新的特性,因此当前的应用还不清楚。”
 
  但我们也不用着急,27年前科学家首次制造出具有轨道角动量的光。如今,它已被用于制造性能超强的显微镜、移动工业机械方面的微小部件,还可以通过光通信网络、以极高的速率发送数据。也许这就是为什么,这一新特性的发现让研究人员激动万分。
 
  南加州大学洛杉矶分校的电气工程师Alan Willner没有参与此次研究,他说:“这太令人激动、着迷了!就像一份取之不竭的礼物。”
 
(译者:Sky4)
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