物理学家发现光的”惊人”特性，颠覆以往认知

科学家发现了光的一种惊人能力，光在穿过真空空间时能够自然形成旋转图案，而无需依靠特殊透镜、反射镜或材料。这一发现揭示了光拥有一种隐藏的几何结构，这种结构能以研究人员此前认为难以实现的方式影响光的行为。

这项发现来自英国东英吉利大学（UEA）领导的国际团队，该团队与南非的科学家合作完成。他们的实验证明，经过精心制备的光可以通过自身内部的几何结构来控制，这为操控光的自旋和扭转方式提供了一种新途径。

这一发现挑战了长期以来关于光的不同特性如何相互作用的假设。它们最终可能带来更灵敏的医学检测、更快速更安全的通信，以及利用光来传输和保护信息的先进量子技术。

光的自旋方向为何至关重要

这项发现最引人关注的方面之一涉及手性，这是一个用来描述左旋和右旋结构差异的科学术语。

人的双手提供了一个熟悉的例子。尽管它们彼此互为镜像，但左手无法与右手完全重合。许多分子也具有类似的特性，包括一些药物化合物。同一分子的两种形式可能具有几乎相同的化学结构，却在人体内产生截然不同的效果。

科学家可以通过研究这些分子形式与具有特定旋转行为的光之间的相互作用来区分它们。传统上，产生和控制这种光往往需要专用材料、精心设计的表面，或者能将光束聚焦得极其紧密的强力透镜。

这项研究表明，经过适当制备的光在传播过程中可以自然发展出这种行为，而不需要额外的光学元件。

东英吉利大学化学、药学与药理学院的凯恩·福布斯博士表示：”我们的研究表明，光可以自行自然形成这种手性行为。”

“你只需用正确的方式制备它即可。

“大多数人认为光沿直线传播。但科学家也能够创造出结构化的光——也就是亮度、形状和方向都经过精心排布的光。

“一个极端的例子是在传播过程中扭转的光，形成一种被称为光学涡旋的螺旋形状。每一次扭转都能携带信息，这使得这种光在高速互联网、安全通信和先进传感器方面具有重要价值。

“光在传播时也会根据其偏振方式发生自旋。这种自旋可以是左旋或右旋——这是手性的另一种表现形式。”

科学家发现光如何产生隐藏的自旋

光可以表现出不同类型的旋转行为。例如，光学涡旋具有围绕其传播方向扭转的波形模式，很像螺旋形的开瓶器。光还具有一种被称为偏振的特性，描述其电场振荡的方式。某些偏振模式会产生一种称为自旋的旋转形式。

物理学家长期以来一直在研究这两种特性之间的关系。然而，此前人们普遍认为，导致这种新观察到效应的相互作用非常微弱，在没有专门实验条件的情况下很难被探测到。

研究人员发现，当光束以一种特定的平衡配置制备时，情况会发生变化。

在这些条件下，光束最初可以完全没有自旋，但随着它在自由空间中传播，具有自旋行为的明显区域会逐渐显现出来。这种效应不需要光经过工程化材料或额外的光学装置。

“它一开始完全没有自旋，”负责关键实验的硕士生莱特·姆库姆布扎解释道。”但随着光束向前传播，旋转区域开始出现并分离出来——几乎就像自旋先前隐藏起来，然后又显露出来一样。”

研究人员没有通过外部光学元件产生自旋，而是展示了光束已有的内部结构如何决定在传播过程中旋转区域在何处形成。

控制光的隐藏几何结构

为了解释这种出人意料的行为，研究人员借助了拓扑学，这是数学领域中研究物体在连续拉伸、弯曲或重塑时保持不变的性质的分支。

来自南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的艾萨克·纳佩博士用一个简单的方式解释了这一概念。

他说：”为了解释这一点，可以想象一个杯子和一个甜甜圈。你可以在不撕裂的情况下将一个变形为另一个，因为它们都只有一个孔。这个孔就是一种拓扑特征。”

研究人员发现，结构化光拥有其自身的拓扑特征，这些特征编码在其偏振的排列方式中。

这种底层模式就像一种数学指纹。即使光束在传播过程中改变形状，其拓扑结构仍会保留，并影响光束不同区域的演变方式。

因此，光本身的排列方式可以决定其左旋和右旋自旋模式在何处变得可见。

这一发现为科学家提供了一种通过设计光束初始结构来引导这种行为的方法，而不必依赖专用材料来产生所需效果。

纳佩博士说：”这为我们提供了一个全新的调节光的’旋钮’。通过调整其拓扑结构，我们可以决定手性在何处以何种方式出现。”

医学与通信领域的潜在突破

通过几何结构控制光的能力，最终可能使多种重要的光学技术变得更简单、更经济、更多功能。

一个特别有前景的应用领域涉及医学诊断和药物研究。由于许多具有重要生物学意义的分子都存在左旋和右旋两种形式，经过精心结构化的光可以帮助科学家以更高的灵敏度识别这些差异。这类工具对于评估药物安全性和检测与疾病相关的生物标志物可能具有重要价值。

同样的原理也可以支持开发更小型的光学传感器，用于识别化学物质或生物物质，而不需要大型复杂的实验室仪器。

通信技术也可能从中受益。通过将信息编码到不同的扭转和自旋模式中，研究人员或许能够增加单个光束所能承载的数据量。这可能有助于实现更快的光学通信、更强的信息安全性，以及未来的量子网络。

其他潜在应用还包括利用光操控微观粒子、细胞和分子，以及开发更具韧性的量子系统。拓扑特性可能有助于保护脆弱的量子信息，使其免受某些形式的噪声和干扰影响。

福布斯博士说：”这项发现的影响是广泛的。这项研究可能带来更简单、更灵敏的医学检测，尤其是在药物研发方面。

“它还可以用于在激光束中压缩更多信息——提升通信（包括未来量子网络）的数据容量。

“而且由于这种效应不依赖脆弱的材料或精密加工的表面，它在实际技术应用中可能更容易、更廉价地实现。

“这项研究表明，光的行为可以通过其自身的内部几何结构来控制，这可能为新一代光学技术奠定基础，”他补充道。

这些应用目前仍只是未来发展的可能性，但这一基础性发现为研究人员设计和控制光的行为提供了另一种途径。

光的隐藏特性终被揭示

数十年来，科学家们一直依赖日益复杂的光学设备来产生和操控不寻常形式的光。这项发现表明，其中一些行为实际上可以源自光束内部已经编码好的精心设计的结构。

通过展示拓扑结构如何支配传播过程中旋转区域的出现，该团队揭示了光的几何结构与其物理行为之间此前未被充分认识的联系。

这一发现还说明，对于像光这样熟悉且被广泛研究的事物，人们仍有许多东西需要去了解。

福布斯博士说：”对于如此熟悉的事物，光正被证明远比任何人想象的更加丰富、更加奇特、更加强大。

“而令人惊讶的是，这种新行为一直都存在——只是在等待被发现。”

这项研究题为《结构化光对手性与自旋的拓扑控制》，发表在《Light: Science & Applications》期刊上。

Q&A

Q1：这项发现的核心内容是什么？

A：科学家发现，经过精心制备的光在穿过真空空间传播时，可以自然形成旋转的自旋图案，而不需要依靠特殊透镜、反射镜或材料，这揭示了光拥有一种此前未被充分认识的隐藏几何结构。

Q2：这个发现未来可能应用在哪些领域？

A：这项发现可能应用于医学诊断、药物研发中的分子手性检测、更小型的化学或生物传感器、提升通信数据容量、以及支持未来量子网络和更稳定的量子系统等多个领域。

Q3：为什么光的自旋方向（手性）如此重要？

A：因为许多生物分子（包括药物成分）存在左旋和右旋两种形式，这两种形式的化学结构几乎相同，但在人体内产生的效果可能截然不同，科学家需要通过特定旋转行为的光来区分它们。