一个包括西班牙和美国物理学家组成的科研团队表示，他们从理论上预测并实验产生了具有新特性的光束，称之为光的自转矩(Self-Torque)。
这一发现近日发表在美国《科学》杂志上，可以帮助我们理解如何控制分子和纳米结构中的动力学，未来或可用于制造极其微小材料的智能手机和硬盘。
此前轨道角动量光束为静态
据“科学新闻”网站7月1日报道，光束同时携带能量和动量，自旋角动量（SAM）是光的一种常见特性，它表现在光的偏振上。
但自1992年以来，人们认识到，当光束的空间形状围绕其自身的轴旋转或扭曲时，光也可以具有轨道角动量(OAM)，也被称为涡旋光束（vortex beams）。
虽然肉眼看不见，但当光束与物质相互作用时，轨道角动量的存在就可以被揭示出来。轨道角动量光束在光通信、显微镜、量子光学和微粒子操作等领域具有新的应用。
然而，到目前为止，所有的轨道角动量光束都是静态的，也就是说，轨道角动量在时间上没有变化。
通过“自转矩”获得角动量
为了实现光的一种全新特性，即沿光脉冲的时变轨道角动量，美国科罗拉多州研究机构JILA的物理学家凯文·多尼(Kevin Dorney)、西班牙萨拉曼卡大学的劳拉·雷戈博士(Laura Rego)和他们的同事们利用了高次谐波产生(HHG)过程所固有的量子物理。
他们解释说，通过向气体中发射强烈的红外激光脉冲，可以产生高频谐波。这使气体电离，自由电子在激光的强电场加速后，刺激气体的紫外线发射。这种辐射产生的谐波范围很广，产生的光的频率比激光脉冲的频率高出数百倍甚至数千倍。
在这一过程中，科学家发现了光的自扭矩，即在没有外力的情况下获得角动量。打个比方，这就像一个扳手在拧紧螺栓时加速；然而，这个扳手由光子和扭曲组成，其旋转的速度比电子绕氢核运转的速度还要快。
“掌握了先进的光学技术”
至于如何实际应用这项发现，研究团队的科学家们表示，可能有利于“需要超快记录信息”的应用，并会加强对“纳米尺度上的手性分子（chiral molecules）”的研究，提高对用于制造智能手机和硬盘的极其微小材料内部过程的了解。
俄勒冈大学的本·麦克莫伦(Ben McMorran)称赞研究人员“掌握了先进的光学技术”，认为他们的工作有助于“控制和探测材料中电子的运动和方向”。但他质疑“自扭矩”这一术语，认为激光脉冲本身并不产生扭矩，而是传递扭矩。“把这些脉冲想象成传动轴，而不是马达。”
编译/采写：南都记者 史明磊
图片来源：科学新闻网站 《科学》杂志
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