科学家发现光具有一种令人惊讶的能力：光在穿过空旷空间时能够形成旋转图案，而无需依赖特殊透镜、镜子或材料。这一发现揭示出，光拥有一种隐藏的几何结构，能够以研究人员此前认为难以实现的方式影响光的行为。
这一发现来自一个国际团队，该团队由英国东安格利亚大学（UEA）的研究人员领导，并与南非科学家合作。他们的实验表明，经过精心制备的光可以通过其自身内部几何结构加以控制，为操纵光的旋转和扭转方式提供了一种新途径。
这些发现挑战了关于光的不同属性如何相互作用的长期假设。它们最终可能促成更灵敏的医学检测、更快且更安全的通信，以及利用光传输和保护信息的先进量子技术。
为什么光的自旋方向很重要
这一发现最引人入胜的方面之一涉及手性，这是一个描述左手结构和右手结构之间差异的科学术语。
人的双手提供了一个熟悉的例子。尽管左右手互为镜像，但左手无法与右手完全重合。许多分子具有类似性质，包括药物中使用的化合物。同一分子的两种版本可能具有几乎相同的化学结构，却在体内产生非常不同的效果。
科学家可以通过研究这些分子形式如何与具有特定旋转行为的光相互作用来区分它们。传统上，产生和控制这种光通常需要特殊材料、精心设计的表面，或能将光束聚焦得极紧的高功率透镜。
这项研究表明，经过适当制备的光在传播过程中可以自然形成这种行为，而无需这些额外的光学组件。
东安格利亚大学化学、药学与药理学学院的凯恩·福布斯博士说：“我们的工作表明，光可以完全自行自然地形成这种手性行为。”
“你只需以正确的方式制备它。”
“大多数人认为光沿直线传播。但科学家也可以制造结构光——即亮度、形状和方向经过精心安排的光。”
“一个极端的例子是传播时发生扭转、形成被称为光学涡旋的螺旋形状的光。每一次扭转都可以携带信息，使这种光对于高速互联网、安全通信和先进传感器很有价值。”
“光在传播时也可以自旋，这取决于它如何被偏振。这种自旋可以是左旋的，也可以是右旋的——这是另一种形式的手性。”
科学家揭示光如何形成隐藏自旋
光可以表现出不同种类的旋转行为。例如，光学涡旋的波图案会围绕其传播方向扭转，很像一个螺旋开瓶器。光还具有一种称为偏振的特性，它描述光的电场如何振荡。某些偏振图案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属性之间的关系。然而，负责新观测到的效应的相互作用通常被认为极其微弱，在没有专门实验条件的情况下难以探测。
研究人员发现，当一束光被制备成一种特定的平衡配置时，情况就会改变。
在这些条件下，光束最初可以没有自旋，但当它在自由空间中传播时，会出现具有自旋行为的不同区域。这种效应不需要光穿过工程材料或额外光学器件。
“它一开始完全没有自旋，”开展关键实验的硕士生莱特·姆孔布扎解释说，“但随着光束向前传播，自旋区域会出现并分离出来——几乎就像自旋原本隐藏着，然后显现出来一样。”
研究人员没有通过外部光学组件创造自旋，而是展示了光束已有的内部结构如何决定自旋区域在传播过程中形成的位置。
控制光的隐藏几何
为了解释这种意想不到的行为，研究人员转向了拓扑学。拓扑学是一个数学领域，研究物体在连续拉伸、弯曲或重塑时保持不变的属性。
南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的艾萨克·纳佩博士提供了一种理解这一概念的简单方式。
“为了解释它，想象一个杯子和一个甜甜圈，”他说，“你可以把一个变成另一个而不撕裂它，因为它们都有一个洞。那个洞就是一个拓扑特征。”
研究人员发现，结构光拥有自己的拓扑特征，这些特征编码在其偏振的排列方式中。
这种底层图案就像一种数学指纹。即使光束在传播时改变形状，它的拓扑结构仍然存在，并影响光束不同区域如何演化。
因此，光自身的排列方式可以决定其左旋和右旋自旋图案在何处变得可见。
这一发现为科学家提供了一种方法：通过设计光束的初始结构来引导这种行为，而不是依赖特殊材料来产生所需效果。
“这给了我们一个全新的光调节旋钮。通过调整其拓扑结构，我们可以决定手性如何以及在哪里出现，”纳佩博士说。
医学与通信领域的潜在突破
通过几何结构控制光的能力，最终可能使多项重要光学技术变得更简单、更负担得起、更通用。
一个特别有前景的应用涉及医学诊断和药物研究。由于许多具有生物学重要性的分子具有左手形式和右手形式，精心结构化的光可以帮助科学家以更高灵敏度识别这些差异。此类工具可能对于评估药物安全性和检测与疾病相关的生物标志物很有价值。
同样的原理可以支持更小的光学传感器，使其能够在不需要大型复杂实验室仪器的情况下识别化学物质或生物物质。
通信技术也可能受益。通过将信息编码到不同的扭转和自旋图案中，研究人员或许能够提高单束光所携带的数据量。这可能有助于实现更快的光通信、改进的信息安全以及未来的量子网络。
其他潜在用途包括用光操纵微观粒子、细胞和分子，以及开发更具韧性的量子系统。拓扑属性可能有助于保护脆弱的量子信息免受某些形式的噪声和干扰。
“其意义十分广泛，”福布斯博士说，“这项工作可能带来更简单、更灵敏的医学检测，尤其是在药物开发中。”
“它还可以用于将更多信息打包进激光束——提升通信的数据容量，包括未来的量子网络。”
“而且，由于这种效应不依赖脆弱材料或精密工程表面，它在现实技术中可能更容易使用，成本也更低。”
他补充说：“这项研究可能为新一代基于光的技术奠定基础，因为它表明，光的行为可以利用其自身内部几何结构加以控制。”
这些应用仍是未来发展的可能性，但这一基础性发现为研究人员提供了设计和控制光行为的另一种方式。
光的隐藏特性终被揭示
几十年来，科学家一直依赖日益复杂的光学设备来产生和操纵不寻常形式的光。这些发现表明，其中一些行为反而可以源自光束中已经编码的精心设计的结构。
通过展示拓扑如何支配传播过程中自旋区域的出现，该团队揭示了光的几何结构与其物理行为之间一种此前未被充分重视的联系。
这一发现也说明，对于像光这样熟悉且被广泛研究的事物，仍有太多东西有待了解。
“对于如此熟悉的东西，光正被证明比任何人想象的都更丰富、更奇特、更强大，”福布斯博士说。
“而且令人惊讶的是，这种新行为一直存在——只是等待着被发现。”
这项研究题为《用结构光对 transcends 手性和自旋的拓扑控制》？需要准确：'Topological Control of Chirality and Spin with Structured Light'，译为《结构光对手性与自旋的拓扑控制》，发表于《光：科学与应用》期刊。
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