物理学家发现光的“惊人”新特性，颠覆常识

由英国东安格利亚大学（UEA）牵头的国际团队，与南非科学家合作，发现精心制备的结构光可以通过其自身内部几何和拓扑来操控旋转与扭曲。过去的长期假设认为，光的旋转、扭曲等不同性质之间的关系较弱，要产生或控制这种光通常需要特殊材料、精细设计的表面或强力聚焦透镜；但实验表明，只要以正确方式预先安排光的亮度、形状、传播方向、涡旋结构和偏振状态，光就可在自由空间传播时自然发展出左右手性的旋转行为。文章用人的左右手解释手性：两只手互为镜像，却无法完全重合。许多药物分子也有类似的左、右版本，化学结构几乎相同，在人体内的作用却可能非常不同。科学家用具有特定旋转行为的光来区分这些分子。研究指出，光有几种不同的旋转方式：一种是以螺旋或开瓶器形状绕传播方向扭曲，即光涡旋，这种扭曲可以携带信息，有助于高速通信、安全通信和先进传感器；另一种与偏振有关，光场振动可形成左旋或右旋，这也是一种手性。此前，物理学家研究过光涡旋与自旋的关系，但负责新效应的相互作用被认为很弱、难以在普通条件下观测。团队发现，当一束光被制备成一种特殊的平衡构型时，它初始状态可能完全没有自旋，但在传播过程中，光束里会逐渐出现并分离出具有自旋的区域。参与关键实验的硕士生 Light Mkhumbuza 形容，这像自旋原本隐藏，随后被显现出来。研究不是在传播中靠外部光学元件强行添加自旋，而是利用光束已有的内部结构，决定哪些位置会发展出自旋。为解释这一现象，研究者借助拓扑。拓扑研究物体在连续拉伸、弯曲或变形时仍保持不变的性质。南非金山大学（威特沃特斯兰德大学）的 Isaac Nape 用杯子和甜甜圈比喻：两者都有同一个洞，可以不撕裂而相互变形，这个洞就是拓扑特征。团队发现，结构光的偏振排列本身就带有拓扑特征，像一种数学指纹。即使光束在传播中形状改变，底层拓扑结构仍保留，并影响各部分如何演化。由此，光自身的排列可以决定左旋和右旋模式在哪里变得可见。科学家可以通过设计光束初始结构，而不是依赖特殊材料，来控制这种行为。内普博士说，这相当于给光增加了一个全新的调节旋钮，通过调整拓扑，就能决定手性如何出现、在哪里出现。这种几何控制有望让若干光学技术更简单、更低成本、更通用。医学诊断和药物研发是重要应用：许多生物分子存在左、右版本，用精心构造的光可更灵敏地区分它们，帮助评估药物安全或检测与疾病相关的生物标志物。同一原理也可推动更小型的光学传感器，使识别化学物质或生物物质不再完全依赖大型复杂实验室设备。通信方面，如果将信息编码进不同的扭曲和自旋模式，单束光可能承载更多数据，从而提升光通信速度、信息安全和未来量子网络能力。研究还可能用于用光操纵微小颗粒、细胞和分子，以及开发更稳健的量子系统，因为拓扑性质有望保护脆弱的量子信息免受噪声和干扰。凯恩·福布斯博士表示，这项研究可带来更简单灵敏的医学检测，也可在激光束中装载更多信息，并因不依赖脆弱材料或精密表面而更容易实用化，为新一代光技术奠定基础。文章最后强调，这些应用仍属于未来可能，但基础发现本身很重要。过去几十年，科学家依赖越来越精密的光学设备制造和控制非常规的光；这项研究说明，其中一些行为可能来自光束内部已经编码的精心设计的结构。团队揭示了拓扑如何控制传播过程中自旋区域的显现，重新连接了光的几何形状与其物理表现。研究也提醒人们，即使光如此常见、被研究已久，仍可能隐藏着此前未被充分看见的丰富性质；福布斯博士说，这个新行为其实一直存在，只是等待人们去发现。相关论文题为《用结构光拓扑控制手性与自旋》（英文标题：Topological Control of Chirality and Spin with Structured Light），发表于期刊《Light: Science & Applications》。