光學(xué)物理學(xué)家向氬氣發(fā)射了兩個(gè)延時(shí)激光脈沖，發(fā)現(xiàn)了光的新特性：自扭矩。將這種激光照射在平面上，會(huì)產(chǎn)生牛角包形狀的光坑。
想象一下，把一堆甜甜圈堆在一起會(huì)發(fā)生什么？光學(xué)物理學(xué)家的答案一定出乎你的意料：一只牛角包。
這個(gè)答案是有科學(xué)依據(jù)的！一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)了光的新特性：自扭矩?？茖W(xué)家用一道旋轉(zhuǎn)的激光束發(fā)現(xiàn)了光子的秘密：這道光束旋轉(zhuǎn)的速度越來越快，就像一小塊灰塵旋轉(zhuǎn)著落到下水道里一樣。研究結(jié)果發(fā)表于6月27日的《科學(xué)》雜志，也許有一天，科學(xué)家可以據(jù)此改進(jìn)通訊技術(shù)和發(fā)現(xiàn)操縱微觀物體的新方法。
“科學(xué)界經(jīng)常有新發(fā)現(xiàn)，但發(fā)現(xiàn)新的基本特性就不那么常見了，”研究合著者、美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校暨國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的物理化學(xué)家Kevin Dorney說道。
極端光學(xué)“烘焙”
牛角包形狀的激光始于一種具有軌道角動(dòng)量性質(zhì)的光。1992年科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)光的這種特性，當(dāng)激光束穿過貝殼狀的透鏡時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。光看起來像一個(gè)有中心點(diǎn)的螺旋形開瓶器。而當(dāng)激光照射在平面上時(shí)，則呈現(xiàn)出中央有洞的大圈，或者更通俗地說，很像一只甜甜圈。
在這條路線上放置一個(gè)納米大小的粒子，它會(huì)像行星圍繞恒星那樣旋轉(zhuǎn)起來。
Dorney和同事一直在研究如何讓電磁波譜（即極紫外區(qū)）的光具有軌道角動(dòng)量。這個(gè)區(qū)域介于黑光燈發(fā)出的紫外線和醫(yī)療上用的高能X射線之間。
極紫外激光需要用兩束紅色的激光脈沖射向氣態(tài)氬原子。Dorney解釋說，紅色激光將電子從氬原子中解放出來，然后電子“就像沖浪者一樣，隨著激光束前行，并獲得能量”。當(dāng)新釋放出的電子猛烈地撞回氬原子時(shí)，它們會(huì)釋放出多余的能量，形成具有軌道角動(dòng)量的極紫外光子。
研究團(tuán)隊(duì)想知道，如果最初的紅色激光脈沖的軌道角動(dòng)量速度不同，且兩者之間有幾千萬分之一秒的不同步，會(huì)發(fā)生什么。模擬顯示，這種甜甜圈形狀的脈沖會(huì)以一種奇怪的方式疊加在一起，使得螺旋狀的極紫外激光束迅速加速扭曲。在這些模型中，紫外線激光的橫截面仿佛一彎殘?jiān)?，或者說，像一只牛角包。
Dorney說：“你想象不到，甜甜圈疊加后竟然會(huì)得到一只牛角包?！?但可以肯定的是，當(dāng)研究人員用實(shí)際光源做實(shí)驗(yàn)時(shí)，“我們按下按鈕，它從甜甜圈變成牛角包，然后又變了回來”。
光明的未來
研究團(tuán)隊(duì)把新發(fā)現(xiàn)的特性稱之為“自扭矩”，因?yàn)橛悬c(diǎn)像扳手在加速擰緊螺栓，但在這里，扭矩是外部因素造成的，有一只手在給扳手加速。在自然界中，真正的自扭矩只存在于極少數(shù)系統(tǒng)，通常發(fā)生在極端情況下。例如，當(dāng)兩個(gè)黑洞圍繞彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們之間的相互引力會(huì)導(dǎo)致彼此拉扯，并加速旋轉(zhuǎn)。
那么光的自扭矩特性有什么用呢?
Dorney說：“簡言之，我們還在研究中。這是一個(gè)非常新的特性，因此當(dāng)前的應(yīng)用還不清楚?！?/p>
但我們也不用著急，27年前科學(xué)家首次制造出具有軌道角動(dòng)量的光。如今，它已被用于制造性能超強(qiáng)的顯微鏡、移動(dòng)工業(yè)機(jī)械方面的微小部件，還可以通過光通信網(wǎng)絡(luò)、以極高的速率發(fā)送數(shù)據(jù)。也許這就是為什么，這一新特性的發(fā)現(xiàn)讓研究人員激動(dòng)萬分。
南加州大學(xué)洛杉磯分校的電氣工程師Alan Willner沒有參與此次研究，他說：“這太令人激動(dòng)、著迷了！就像一份取之不竭的禮物。”
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