光通常是沿著直線傳播，但如果光可以扭曲、螺旋，甚至像迷你龍捲風般運行呢？科學家們現在已經實現了這一可能性，創造了光學龍捲風（也稱為光學漩渦）——在微觀系統內部產生的微小旋轉光結構。直到現在，產生這樣複雜的光模式需要大規模的設置或精密的納米結構，這使得其擴展變得困難。然而，一項新的研究使用一種驚人的簡單材料——液晶，改變了這一局面。
這種新方法不僅僅是一個視覺上的把戲，它還可能重塑我們建造激光器、通信設備，甚至未來量子技術的方式。研究的作者之一、華沙大學的物理學家 Jacek Szczytko 表示：“我們的解決方案結合了量子力學、材料工程、光學和固態物理等多個物理領域。”
團隊的靈感來自量子物理學，即電子在原子內部佔據特定的能量水平。他們為光再現了類似的概念——不是通過捕捉電子，而是捕捉光子（光的粒子）。為此，他們使用了液晶，這種材料像液體一樣流動，但其內部結構則像固體一樣有序。在這些材料內，研究人員創建了稱為 torons 的微小缺陷。torons 可以想像成緊密扭曲的螺旋，類似於 DNA，液晶分子沿著這些螺旋排列。
如果將這樣的螺旋通過將其兩端連接成類似於甜甜圈的環來關閉，就會形成一個 toron，Mędrzycka 解釋道。這些 torons 作為光的微觀捕獲裝置。然而，僅僅捕獲光是不夠的——他們還需要使其扭曲。
光以假磁場彎曲的過程充滿趣味。通常情況下，光不會像帶電粒子（例如電子）一樣對磁場做出反應。因此，研究人員創造了一個合成磁場。這不是一個真正的磁場，而是在液晶內部精心設計的效果。他們通過雙折射來實現，這是指不同極化的光在材料中以不同方式傳播。通過使這一效應在空間中變化，他們迫使光的行為類似於在磁場下運動，從而使其彎曲和螺旋，就像電子在圓形軌道中運動。
他們稱之為合成磁場，因為其數學描述類似於磁場的行為，儘管實際上並不存在。結果，光開始像電子在回旋運動中一樣彎曲，研究作者之一、華沙大學的物理學教授 Piotr Kapuściński 表示。
為了增強和穩定這一行為，團隊將系統置於一個光學微腔內，這是一種由鏡子組成的結構，可以使光反覆彈回。這使得光能夠長時間被困住，增強了這一效果。他們甚至可以通過外部電壓調整系統，改變捕獲的大小和光的特性。
最大的成就是，他們成功地在基態中產生了旋轉光。通常，攜帶軌道角動量的旋轉光僅出現在高能、不穩定的狀態中。然而，在這裡，研究人員成功地在基態中實現了這一效果。“我們首次在基態中獲得了這一效果，即最低能量狀態。這是重要的，因為基態是最穩定的，能量最容易在其中積累。” 研究的作者之一、法國克萊蒙奧弗涅大學的教授 Guillaume Malpuech 說。
為了證明這一基態確實可以支持有效的激光發射，團隊添加了一種激光染料。這導致了不僅旋轉而且表現得像激光光的光：它具有相干性，並且具有明確的能量和發射方向，首位研究作者 Marcin Muszyński 補充道。
這項研究顯示，複雜的光結構並不總是需要複雜的工程。通過使用自組織材料如液晶，科學家們可以以更簡單和可擴展的方式創造穩定的旋轉光。這可能導致具有新特性的緊湊激光器、改進的光學通信系統，以及更好的量子計算和信息處理工具。它還可能有助於操縱微觀物體，因為結構化光可以施加精確的力。
然而，這項研究仍處於早期階段。這些系統需要進行穩定性、效率和現實世界設備整合的測試。因此，在未來的研究中，如何在保持對光的行為的控制的同時擴大這些系統的規模將是重點。這項研究發表在《Science Advances》期刊上。
