如今，能夠被引導成螺旋狀的光束（稱為光學渦旋）已在多個領域得到應用。為了突破結(jié)構(gòu)化光的極限，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的應用物理學家們報告了一種新型光學渦旋光束——它不僅能在傳播過程中扭轉(zhuǎn)，還能以不同速率改變不同部分的形態(tài)，形成獨特的光模式。這種光的運動方式與自然界中常見的螺旋形狀極為相似。

研究人員從經(jīng)典力學中借用了術語，將他們首次展示的這種光渦旋昵稱為“光學旋轉(zhuǎn)體”（optical rotatum），以描述光束螺旋形態(tài)的扭矩如何逐漸變化。在牛頓物理學中，“rotatum”指物體所受扭矩隨時間的變化率。

這一“光學旋轉(zhuǎn)體”誕生于SEAS學院應用物理學教授、電氣工程高級研究員Federico Capasso的實驗室。Capasso表示：“這是光的一種新行為——一種在空間中傳播并以特殊方式變化的光學渦旋。它可能在操控微小物質(zhì)方面具有潛力。”該研究已發(fā)表于《科學進展》。

有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)這種攜帶軌道角動量的光束會以自然界廣泛存在的數(shù)學可識別模式生長。與斐波那契數(shù)列（因《達芬奇密碼》聞名）相呼應，他們的“光學旋轉(zhuǎn)體”以對數(shù)螺旋形式傳播，這種螺旋可見于鸚鵡螺殼、向日葵種子排列和樹枝分叉中。

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圖1.光的旋轉(zhuǎn)

論文第一作者、卡帕索實驗室前研究員Ahmed Dorrah（現(xiàn)為埃因霍溫理工大學助理教授）表示：“這是本研究中意料之外的亮點之一。希望我們能啟發(fā)應用數(shù)學領域的專家進一步研究這些光模式，并對其普遍特征獲得獨特見解。”

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圖 2.生成具有空間自扭矩的渦旋光束

技術突破與潛在應用

該研究基于團隊此前的工作：他們使用超表面（一種刻有納米結(jié)構(gòu)以彎曲光的薄透鏡）生成具有受控偏振和軌道角動量的光束，可將任何輸入光轉(zhuǎn)換為運動中變化的其它結(jié)構(gòu)。如今，他們?yōu)楣庖�入了另一個自由度——在傳播過程中還可改變其空間扭矩。

論文合著者、卡帕索實驗室研究生Alfonso Palmier表示：“我們展示了更高的控制靈活性，并且可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)控。”

這種特殊光束的潛在應用包括通過引入與光異常扭矩相匹配的新型力，操控懸浮膠體等微小粒子。它還可作為精密光鑷，用于微觀操作。此前其他團隊雖已利用高強度激光和大型裝置實現(xiàn)扭矩可調(diào)光，但哈佛團隊僅用單個液晶顯示器和低強度光束便完成了實驗。通過證明可在工業(yè)兼容的集成設備中生成“旋轉(zhuǎn)體”，該技術的實用門檻較以往大幅降低。

相關鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9092