“光学旋转”是研究人员创造的术语，用来描述新发现的光结构。可以形成螺旋状的光束，被称为光学涡旋，如今已广泛应用于各种领域。哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的应用物理学家突破了结构光的极限，报道了一种新型光学涡旋光束。

这种光束不仅在传播过程中发生扭曲，还会在不同区域以不同的速率变化，从而形成独特的图案。其行为类似于自然界中常见的螺旋形状。

研究人员借鉴经典力学，将他们从未演示过的光涡旋昵称为“光学旋转体”（optical rotatum），以描述光螺旋形状的扭矩如何逐渐变化。在牛顿物理学中，“旋转体”指的是物体扭矩随时间的变化率。

光学旋涡是由费德里科·卡帕索（Federico Capasso）的实验室研发的。卡帕索是应用物理学罗伯特·L·华莱士（Robert L. Wallace）教授，同时也是海洋工程学院电气工程高级研究员文顿·海耶斯（Vinton Hayes）。“这是一种新的光行为，它由一个在空间中传播并以不同寻常的方式变化的光学涡旋组成，”卡帕索说道。“它对操控微小物质具有潜在的用途。”这项研究发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。

研究人员发现，它们携带轨道角动量的光束以一种在自然界中随处可见的数学上可识别的模式增长。它们的光学旋转与斐波那契数列（因《达芬奇密码》而闻名）相似，呈对数螺旋线传播，这种螺旋线在鹦鹉螺壳、向日葵种子和树枝中都能看到。

光学旋转体的对数螺旋线遵循着自然界中常见的图案，包括鹦鹉螺壳。图片来源：卡帕索实验室/哈佛大学海洋与应用科学学院

“这是这项研究意想不到的亮点之一，”第一作者艾哈迈德·多拉（Ahmed Dorrah）说道，他曾是卡帕索实验室的研究员，现在是埃因霍温理工大学的助理教授。“希望我们能够激励其他应用数学专家进一步研究这些光模式，并对它们的普遍特征获得独特的见解。”

这项研究建立在先前研究的基础上，该团队利用超表面（一种蚀刻有光弯曲纳米结构的薄透镜）创造了一束沿传播路径具有可控偏振和轨道角动量的光束，将任何输入的光转换成随移动而变化的其他结构。现在，他们为光引入了另一个自由度，使其在传播过程中也能改变其空间扭矩。

“我们展示了更加灵活的控制方式，而且我们可以连续地进行这种控制，”卡帕索实验室的研究生、这项研究的共同作者阿方索·帕尔米耶里 (Alfonso Palmieri) 说道。

这种奇特光束的潜在用途包括通过引入一种与光的异常扭矩相符的新型力来控制极小的颗粒，例如悬浮液中的胶体。它还可以用于制造精密的光镊，对微小物体进行微操作。

虽然其他人已经演示了使用高强度激光和庞大装置的扭矩变化光，但哈佛团队只用单个液晶显示器和低强度光束就实现了这一功能。通过展示他们能够在工业兼容的集成设备中创建旋转体，他们的技术实现的门槛比之前的演示要低得多。

编译自/scitechdaily