如今，能夠被引導(dǎo)成螺旋狀的光束（稱為光學(xué)渦旋）已在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。為了突破結(jié)構(gòu)化光的極限，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的應(yīng)用物理學(xué)家們報告了一種新型光學(xué)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(xué)中借用了術(shù)語，將他們首次展示的這種光渦旋昵稱為“光學(xué)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(xué)中，“rotatum”指物體所受扭矩隨時間的變化率。

這一“光學(xué)旋轉(zhuǎn)體”誕生于SEAS學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)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(xué)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(xué)進(jìn)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(xué)可識別模式生長。與斐波那契數(shù)列（因《達(dá)芬奇密碼》聞名）相呼應(yīng)，他們的“光學(xué)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(xué)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(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的專家進(jìn)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(shù)突破與潛在應(yīng)用

該研究基于團(tuán)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(yīng)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(tuán)隊雖已利用高強(qiáng)度激光和大型裝置實現(xiàn)扭矩可調(diào)光，但哈佛團(tuán)隊僅用單個液晶顯示器和低強(qiáng)度光束便完成了實驗。通過證明可在工業(yè)兼容的集成設(shè)備中生成“旋轉(zhuǎn)體”，該技術(shù)的實用門檻較以往大幅降低。

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