Vortexfotoner fra elektroner i cirkulær bevægelse

Forskere ved IMS og deres kolleger har teoretisk og eksperimentelt vist, at en elektron med høj energi i cirkulær/spiralbevægelse udstråler hvirvelfotoner fra radiobølgelængden til gammastråler. Dette udvider i høj grad applikationsspektre for hvirvelfotoner inden for den fysiske videnskab. I øvrigt, fundet indikerer, at hvirvelfotoner er allestedsnærværende i universet. Det baner vejen til et helt nyt forskningsfelt:naturlig hvirvelfotonvidenskab.

Lys kaldes undertiden en elektromagnetisk bølge, hvor elektriske og magnetiske felter svinger, og svingningerne forplanter sig i rummet. Normalt, lyset har en plan bølgefront. I modsætning, en optisk hvirvel har en spiralformet bølgefront og bærer orbitalt vinkelmoment. Eksistensen af ​​sådanne ejendommelige fotoner blev teoretisk forudsagt for omkring 25 år siden. I dag, sådanne fotoner kan let fremstilles i laboratorier ved hjælp af specielle optiske enheder, selvom bølgelængderne er begrænsede i nærheden af ​​synligt lys. Forskere undersøger deres applikationer inden for nanoteknologi, billedbehandling og information/kommunikationsteknologi. På den anden side, der er ikke fundet en naturlig elementær proces, der er i stand til at producere hvirvelfotoner, selvom der er nogle få teoretiske forslag om, at normale fotoner kan omdannes til hvirvelfotoner i et stærkt gravitationsfelt omkring et roterende sort hul eller som passerer gennem inhomogene interstellare medier.

For omkring 10 år siden, forskere teoretisk forudsagde, at en undulator, en enhed, der er meget udbredt i moderne synkrotron lyskilder, kunne være i stand til at producere hvirvelfotoner i røntgenområdet. Dette blev eksperimentelt bekræftet flere år senere ved en tysk synkrotron. Imidlertid, et flertal af de væsentlige karakteristika ved optisk hvirvelgenerering er forblevet ubekræftet. Forskere ved IMS og deres kolleger undersøgte teoretisk denne proces og har vist, at en elektron i cirkulær eller spiralbevægelse udstråler hvirvelfotoner. Denne proces er grundlaget for forskellige vigtige strålingsprocesser inden for astrofysik og plasmafysik, såsom cyklotronstråling, synkrotronstråling og Compton-spredning, og er blevet beskrevet i mange lærebøger eller forskningsartikler. Imidlertid, der har ikke været nogen diskussion om vortex -karakteren af ​​denne stråling. Bølgelængden af ​​denne stråling strækker sig fra radiobølge til gammastråler, afhængig af den fysiske tilstand. Dette nye fund indikerer, at vortexfotoner produceres i forskellige situationer i universet, i hele bølgelængdeområdet.

Desuden, forskerne ved IMS og deres kolleger lykkedes med en præcis eksperimentel observation af undulatorstrålingen fra en synkrotronlyskilde, UVSOR-III, for første gang (figur). De observerede UV -lyset fra en elektronstråle i spiralbevægelse, og angav, at der findes en særlig struktur kaldet en fasesingularitet i midten af ​​fotonstrålen fra undulatoren. I øvrigt, højere energifotoner har vist sig at bære større vinkelmoment. Disse målinger understøtter bestemt den teoretiske forudsigelse.

Professor Masahiro Katoh (IMS) siger, "Vortexfotoner bør være allestedsnærværende i universet. Hvilken slags rolle spiller de i naturen? Vores præstation åbner et helt nyt forskningsfelt."

Forskningen er publiceret i Videnskabelige rapporter .