Undersøgelse viser en sværm af fotoner, der går i en salto i låsetrin

Snurrende eller roterende genstande er almindelige, fra legetøjstoppe, fidget spinners, og kunstskøjteløbere til vand, der kredser om et afløb, tornadoer, og orkaner.

I fysik, der er to slags rotationsbevægelser:spin og orbital. Jordens bevægelse i vores solsystem illustrerer disse; Jordens daglige 360 ​​graders rotation omkring sin egen akse er spinrotation, mens Jordens årlige tur rundt om solen er orbital rotation.

Mængden i fysik defineret til at beskrive en sådan bevægelse er vinkelmomentum (AM). AM er en bevaret mængde:givet en initial mængde af det, det kan brydes op og omfordeles mellem partikler som atomer og fotoner, men den samlede AM skal forblive den samme. AM er også en vektor:det er en størrelse, der har en retning, og denne retning er vinkelret på det plan, hvori rotationscirkulationen finder sted.

For partikler af lys i laserstråler - fotoner - er disse to slags AM til stede. Fotoner har spin, men roter ikke om deres egne akser; i stedet, spin vinkelmomentet (SAM) kommer fra rotationen af ​​fotonens elektriske felt, og SAM kan kun pege fremad eller bagud i forhold til stråleretningen.

Fotoner i laserstråler kan også have orbital vinkelmoment (OAM). Den enkleste laserstråle, hvor fotoner har OAM, er doughnutstrålen:hvis du lyser sådan en stråle på væggen, det vil ligne en lys doughnut eller ring med et mørkt center. OAM-vektoren peger også fremad eller bagud, og OAM er den samme for hver foton i strålen.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Optica , University of Maryland Professor Howard Milchberg og forskningsgruppe demonstrerer det overraskende resultat, at fotoner i vakuum kan have OAM-vektorer, der peger sidelæns, i 90 grader i forhold til udbredelsesretningen – et resultat, der bogstaveligt talt er ortogonalt i forhold til den årtier lange forventning om, at OAM-vektorer kun kunne pege fremad eller bagud.

Forskerholdet, som udover Milchberg omfatter kandidatstuderende og hovedforfatter Scott Hancock og postdoc-forsker Sina Zahedpour, gjorde dette ved at generere en doughnut-puls, kalder de en "edge-first flying donut" (den mere tekniske navn er spatio-temporal optical vortex, eller STOV). Her, donuthullet er orienteret sidelæns, og fordi den roterende cirkulation nu sker omkring ringen, AM-vektoren peger vinkelret på det plan, der indeholder ringen. For at bevise, at denne sidelæns-pegende OAM er forbundet med individuelle fotoner og ikke kun den overordnede form af den flyvende donut, holdet sendte pulsen gennem en ikke-lineær krystal for at gennemgå en proces kaldet anden harmonisk generation, hvor to røde fotoner omdannes til en enkelt blå foton med dobbelt frekvens. Dette reducerer antallet af fotoner med en faktor på 2, hvilket betyder, at hver blå foton skal have dobbelt den sidelæns-pegende OAM - hvilket er præcis, hvad holdets målinger viste. AM af den flyvende doughnut eller STOV er den sammensatte effekt af en sværm af fotoner, der går i salto i låsetrin.

Der er talrige potentielle anvendelser af STOV'er. For eksempel, AM-bevarelsen, der er inkorporeret af saltomortaler, kan gøre STOV-stråler modstandsdygtige over for opbrud ved atmosfærisk turbulens, med potentiel anvendelse på optisk kommunikation i frirum. Ud over, fordi STOV-fotoner skal forekomme i lysimpulser, sådanne pulser kunne bruges til dynamisk at excitere en lang række materialer eller til at sondere dem på måder, der udnytter OAM og donuthullet.

"STOV-impulser kan spille en stor rolle i ikke-lineær optik, siger Milchberg, "hvor stråler kan kontrollere det materiale, de udbreder sig i, muliggør nye applikationer inden for strålefokusering, styretøj, og skifter."