科学家发现光“惊人”的隐藏特性

一项新发现的光特性表明，光可能远比我们之前认为的更加自给自足。

东安格利亚大学的研究人员发现了一种此前未知的光的特性，使光能够在无需镜子、特殊材料或专用透镜的情况下扭转、旋转，并表现出不同寻常的行为。来自英国和南非的科学家展示，通过利用光自身的固有几何结构，可以对光进行“编程”。这一发现可能重塑医疗诊断、数据传输和未来的量子系统。

这一结果挑战了长期以来的假设，表明光在自由空间传播时，就能产生手性行为——即可以像左手或右手那样行为。

研究团队表示，最终这可能使光能够携带信息、检测生物系统、操控物质以及保护量子信号。

为什么手性很重要？

手性（或称“左右手性”）在科学中扮演着关键角色。许多分子，包括药物中使用的分子，都存在着左手和右手两种形态，它们看起来几乎完全相同，但在体内的行为却可能大相径庭。

为了区分它们，科学家通常依赖按顺时针或逆时针旋转的特殊光。到目前为止，生成和控制这类光需要精心设计的表面、先进材料，或用强力透镜进行高要求聚焦。

而这项新研究表明，这些步骤可能并非必需。

东安格利亚大学化学、药学与药理学学院的Kayn Forbes博士说：“我们的工作表明，光可以完全靠自己自然发展出这种手性行为，只需以正确的方式准备光就行了。大多数人认为光沿直线传播。但科学家也能创造‘结构光’——即亮度、形状和方向都经过精心安排的光。”

扭转、旋转与新涌现的效应

Forbes博士继续说道：“一个极端的例子是，光在传播时会扭转，形成一种称为光学涡旋的螺旋形状。每一次扭转都可以携带信息，使这种光在高速互联网、安全通信和高级传感器方面极具价值。光在传播时也可以根据其偏振方式而旋转。这种旋转可以是左旋或右旋——这是手性的另一种形式。”

此前，人们认为光的自旋与其扭转运动之间的相互作用极其微弱，只有在严格受控的条件下才能观察到。东安格利亚大学的团队发现，当光以精确平衡的状态制备好时，其自旋可以在它穿越虚空时自然显现。

进行关键实验的硕士研究生Light Mkhumbuza解释道：“起初它完全没有自旋，但随着光束向前传播，旋转区域出现并分离开来——就好像自旋一直隐藏着，然后自己显现了出来。”

无需镜子、无需特殊材料，只是光在自由传播。

拓扑学的作用

南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的Isaac Nape博士解释说，答案在于拓扑学——数学的一个分支，研究物体在拉伸或重塑时保持不变的属性。

他说：“为了解释这一点，请想象一个马克杯和一个甜甜圈，你可以将一个变成另一个而无需撕裂它，因为它们都有一个洞。那个洞就是一个拓扑特征。”光似乎拥有自己版本的“洞数”——一种隐藏在光偏振排列中的拓扑标记。这个特征在光传播时持续存在，并巧妙地引导光束如何演化。

随着光束向前移动，这种内部结构导致旋转行为涌现，为研究人员提供了一种仅用几何结构就能控制光的新方法。

Nape博士说：“这为我们提供了一个全新的控制光的旋钮。通过调整它的拓扑结构，我们可以决定手性如何出现，以及在何处出现。”

未来的技术与影响

Forbes博士说：“其影响是广泛的，这项工作可能带来更简单、更灵敏的医疗检测，特别是在药物开发中。”

他继续说道：“它还可以用来将更多信息打包到激光束中——提高通信的数据容量，包括未来的量子网络。而且，由于这种效应不依赖于脆弱的材料或精密设计的表面，在实际技术中应用可能更简单、更便宜。”

“这项研究可能为新一代基于光的技术奠定基础，因为它表明光的行为可以用其自身的内在几何结构来控制，”他补充说。

未来主要应用：

更简单的医疗和药物检测： 使用特殊调控的结构光区分对药物安全性和疾病检测至关重要的左手和右手分子。

紧凑型光学传感器： 能够快速、廉价地识别生物和化学物质，无需实验室级别的设备。

更强大的通信技术： 将信息编码到光的多种扭转和自旋状态中，以提高数据容量和安全性。

适用于生物学和纳米技术的先进工具： 仅用光就可以移动和旋转微小的颗粒、细胞或分子。

更稳健的量子技术： 利用拓扑帮助保护脆弱的量子信息免受噪声和干扰。

研究人员表示，他们的发现挑战了关于光自身能做什么的长期固有观念。

Forbes博士说：“光虽然是如此熟悉的东西，但它远比任何人想象的更丰富、更奇特、更强大，而令人惊讶的是，这种新的行为其实一直都在——只是在等待被发现。”

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41377-026-02278-6