科学家们发现了光的一个惊人能力，它允许光在真空中移动时形成旋转模式，而无需依赖特殊的透镜、镜子或材料。研究结果揭示，光具有一种隐藏的几何结构，这种结构可以影响光的行为，而研究人员之前认为这是很难实现的。这一发现来自由英国东安格利亚大学（UEA）研究人员领导的国际团队，团队与南非的科学家合作进行研究。实验表明，经过精心准备的光可以通过其内部几何结构进行控制，为操纵光的旋转和扭曲提供了一种新方法。这些发现挑战了长期以来关于光的不同属性如何相互作用的假设。最终，这些研究可能导致更灵敏的医学测试、更快速和更安全的通信，以及利用光来传输和保护信息的先进量子技术。光的旋转方向为何重要 发现中一个最吸引人的方面涉及手性，这是一个科学术语，用于描述左手和右手结构之间的差异。人手提供了一个熟悉的例子。虽然左手和右手是互为镜像的，但左手无法完美重叠在右手上。许多分子也具有类似特性，包括用于药物的化合物。同一分子的两个版本可以具有几乎相同的化学结构，但在体内产生截然不同的效果。科学家们可以通过研究这些分子如何与具有特定旋转行为的光相互作用来区分这些分子形式。传统上，产生和控制这样的光通常涉及特殊材料、精心设计的表面或强大的透镜，这些透镜可以极其紧密地聚焦光束。研究表明，经过适当准备的光可以在旅行过程中自然发展这种行为，而不需要那些额外的光学组件。“我们的工作表明，光可以自然地独立发展这种偏振行为，”来自UEA化学、药学和药理学学院的Kayn Forbes博士说道。“您只需要以正确的方式准备它。” “大多数人认为光是沿直线传播的。但科学家们也可以创造结构化光——光的亮度、形状和方向经过精心安排。“一个极端的例子是光在传播过程中扭曲，形成一种被称为光学涡旋的螺旋形状。每个扭曲可以携带信息，使这种光对高速互联网、安全通信和先进传感器非常宝贵。“光在传播时也可以旋转，具体取决于其偏振。这种旋转可以是左手或右手的另一种手性形式。” 科学家们发现光是如何发展隐藏的旋转 光可以表现出不同种类的旋转行为。例如，光学涡旋具有一种波动模式，这种模式围绕其传播方向扭曲，就像螺旋状一样。光还有一种称为偏振的特性，它描述了光的电场如何振荡。某些偏振模式会产生一种称为自旋的旋转形式。物理学家们长期以来研究这两种特性之间的关系。然而，导致新观察到的效果的相互作用通常被认为是极其微弱的，并且在没有特殊实验条件的情况下难以检测。研究人员发现，当一束光以特定的平衡配置准备时，情况会发生变化。在这些条件下，光束最初可以没有旋转，但在它穿越自由空间时，会出现具有旋转行为的不同区域。这一效果不需要光通过工程材料或额外的光学设备。“它最开始根本没有旋转，”进行关键实验的MSc学生Light Mkhumbuza解释道。“但当光束向前传播时，旋转区域出现并分离开——几乎就像旋转隐藏起来然后显现出来一样。”研究人员展示了如何利用光束现有的内部结构来决定在传播过程中旋转区域出现的位置，而不是通过外部光学组件来产生旋转。 控制光的隐藏几何结构 为了解释这一意外行为，研究人员转向拓扑学，这是一门数学领域，关注在物体被持续拉伸、弯曲或重塑时仍保持不变的特性。来自南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的Isaac Nape博士提供了一种简单的方法来理解这个概念。“要解释这个，想象一个杯子和一个甜甜圈，”他说。“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洞。这个洞是一个拓扑特征。”研究人员发现，结构化光具有自己的拓扑特性，这些特性编码在其偏振的排列中。