光能像漩渦一樣旋轉嗎？研究人員現在已經證明這是可以做到的。來自華沙大學物理系、軍事科技大學和克萊蒙奧弗涅大學帕斯卡國家科學研究中心的科學家們在一個非常小的結構內創造了旋轉的「光學龍捲風」。這項突破代表了一種建構具有複雜形狀的微型光源的新方法，可以支援用於光通訊和量子技術的更簡單、更可擴展的光子裝置。
「我們的解決方案結合了多個物理領域，從量子力學到材料工程，再到光學和固態物理，」研究團隊負責人、華沙大學物理學院 Jacek Szczytko 教授解釋道。 “靈感來自原子物理學中已知的系統，其中電子可以採取不同的能量狀態。在光子學中，光陷阱發揮著類似的作用，因為它們限制光而不是電子。”
什麼是光學渦旋？
「你可以把它想像成一個光學渦旋，」該研究的第一作者、華沙大學物理學院和紐約城市學院物理系的 Marcin Muszyński 博士說。 “光波繞其軸旋轉，其相位以螺旋方式變化。此外，偏振——電場振蕩的方向——開始旋轉。”
這些結構光態對於量子通訊和微觀物體控制的應用很有吸引力。然而，生產它們通常需要複雜的奈米結構或大型實驗系統。
液晶提供了一種更簡單的方法
該小組選擇了不同的策略。 “我們沒有構建複雜的系統，而是使用了液晶，一種性質介於液體和固體之間的材料。雖然它可以像液體一樣流動，但它的分子以有序的方式排列，保持固定的方向和相對位置，就像在晶體中一樣”，Joanna Mędrzycka 和 Evaysaw 博士生奈米技術系學生解釋道。軍事工業大學奧頓製備了液晶樣本。
在這種材料中，會形成被稱為“torons”的特殊缺陷。 Mędrzycka 解釋說：「它們可以被想像成高度扭曲的螺旋，類似於 DNA，其中排列著液晶分子。如果通過將螺旋的末端連接成甜甜圈狀的環來閉合螺旋，我們就會得到一條鏈。」「這些結構充當光的微觀陷阱。關鍵一步是為光子創建等效磁場。雖然光不像磁場那樣對磁場做出類似反應，但可以通過其他方式實現光的磁場。
光的「合成磁場」。
華沙大學物理學院的 Piotr Kapuściński 博士解釋說：“空間上變化的雙折射，即不同偏振光的傳播差異，其行為就像合成磁場一樣。” “我們稱其為‘合成’，因為它的數學描述類似於磁場的行為，儘管它實際上並不存在。結果，光開始‘彎曲’，就像在迴旋軌道上移動電子。”
為了增強效果，釷被放置在光學微腔內，這是一種鏡面結構，可以反覆反射光線並使其保持較長時間的關閉狀態。 「這使得這個領域更加強大，」穆辛斯基博士說。 “此外，我們可以使用外部電壓來控制陷阱的大小，從而控制光的特性。”
基態穩定的光渦旋
接下來是最引人注目的結果。
克萊蒙奧弗涅大學和法國國家科學研究中心的紀堯姆·馬爾普埃赫教授解釋說：「在典型的系統中，攜帶軌道角動量的光會出現在激發態。」他與德米特里·索爾尼什科夫博士和丹尼爾·博比列夫博士一起開發了該現象的理論模型。 “我們第一次成功地在能量最低的基態下實現了這種效果。這很重要，因為基態是最穩定、最容易積累能量的。”
「這使得更容易受到雷射攻擊，」Szczytko 教授強調。 “光自然地‘選擇’了這種情況，因為它與最小的損失有關。”
為了證實這一點，研究人員將染料雷射插入系統中。 「它不僅會旋轉，而且我們得到的光的行為類似於雷射：它是相干的，並且具有明確的能量和發射方向，」Marcin Muszyński 博士說。
邁向更簡單的光子和量子技術
「有趣的是，我們的方法受到了稱為向量載入的非常先進的理論的啟發，」德米特里·索爾尼什科夫教授補充道。 「所以，不知何故，我們設法使光子的行為不像電子，而是像夸克，即構成質子的帶電粒子。
「這項發現開闢了一種創建具有複雜結構的微型光源的新方法。它表明，我們可以使用自組織材料，而不是依賴複雜的奈米技術。」軍事大學科技大學教授 Wiktor Piece 總結道，“未來，它可能會實現更簡單、更可擴展的光子器件，例如光學技術。”
