Science子刊：科学家造出“光学龙卷风”！

光能像微型龙卷风一样旋转吗？研究人员如今给出了肯定答案。
4月13日，最新一期《Science Advances》（科学进展）发表论文，由华沙大学等组成的国际研究团队，成功在一个极其紧凑的装置内创造了被称为“光学龙卷风”的漩涡光结构。这一突破有望催生具有复杂内部模式的更小型光源，从而简化光通信与量子系统中的关键技术。

研究团队没有依赖复杂的纳米级制造或大型实验装置，而是选择了一种基于软物质、可自组织的替代策略。他们使用液晶——一种介于液体与固体之间的材料。液晶既能像液体般流动，其分子又保持有序排列，如同晶体中的原子。在这种材料中，科学家创造了一种名为“扭子”的缺陷结构——分子紧密缠绕，形成类似DNA的螺旋。当螺旋两端连接成甜甜圈状的闭合环时，便得到了一种可充当微观光陷阱的结构。

关键一步在于为光子创造等效的磁场。尽管光本身不像电子那样对磁场产生响应，但通过空间可变双折射——即不同偏振光传播速度的差异——可以产生“合成磁场”。其数学描述与真实磁场高度相似，从而让光开始“弯曲”，如同电子在回旋加速器中的轨道运动。为了增强这一效应，研究人员还能利用外部电压控制陷阱大小，进而调控光的特性。最终产生的“光学龙卷风”中，光波绕轴旋转，相位呈螺旋变化，甚至连电场振荡的方向（即偏振）也开始旋转。

为验证这一行为，研究人员向系统中引入了激光染料以放大光信号。他们获得的光不仅能够旋转，还具有相干性、明确的能量和发射方向，表现如同激光。有趣的是，该方法还借鉴了涉及“矢量电荷”的先进理论，某种程度上让光子的行为甚至类似于构成质子的夸克。
这项研究证明，利用自组织材料而非依赖复杂纳米技术，可以制造出具有复杂内部结构的微型光源。未来，这或将带来更简单、更可扩展的光子设备，广泛应用于光通信与量子技术领域。
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