在微型结构中制造激光龙卷风

光能表现得像旋风吗？事实证明，它确实可以——如今，华沙大学物理学院、军事科技大学以及克莱蒙奥弗涅大学帕斯卡尔研究所法国国家科学研究中心（CNRS）的科学家们，已在极小的结构中成功制造出这种"光学龙卷风"。这一发现为创建具有复杂结构的微型光源开辟了新途径，未来有望推动更简单、更具扩展性的光子器件的发展，应用于光通信和量子技术等领域。该研究发表于《科学进展》期刊。

华沙大学物理学院研究团队负责人雅采克·什奇特科教授解释说："我们的解决方案融合了物理学的多个领域，从量子力学到材料工程，再到光学和固体物理学。灵感源自原子物理学的系统，其中电子可占据不同的能态。在光子学中，光陷阱扮演了类似角色，它们约束的是光而非电子。"

该研究的第一作者、华沙大学物理学院及纽约市立大学物理系的马尔钦·穆申斯基博士表示："你可以将其想象成一种光学涡旋。光波绕其轴线扭转，其相位呈螺旋状变化。不仅如此，甚至光的偏振——即电场振荡的方向——也开始旋转。"

液晶作为光陷阱

此类光结构前景广阔，在量子通信、微观物体操控等领域具有潜在应用价值。然而，挑战在于，生成这类结构通常需要复杂的纳米结构或庞大的实验装置。

研究团队另辟蹊径。"我们没有构建复杂的系统，而是使用了液晶，这是一种性质介于液体和固体之间的材料。"华沙大学物理学院纳米技术专业学生乔安娜·门德日茨卡解释道，她与军事科技大学的伊娃·奥顿博士共同制备了液晶样品，"虽然液晶可以像液体一样流动，但其分子却能有序排列，保持固定的取向和相对位置，这与晶体非常相似。"

Toron与合成磁场

在这种结构中，可以产生被称为toron的缺陷。"可以将其想象成紧密扭曲的螺旋结构，类似于DNA，液晶分子沿着这种螺旋排列。如果将此螺旋的两端连接起来，形成一个类似甜甜圈的环，我们就得到了一个toron。"门德日茨卡解释道，"这些结构充当着光的微观陷阱。关键一步是为光子创造一个等效的磁场。虽然光不会像电子那样对磁场做出响应，但我们可以通过其他方式让光表现出类似的行为。"

华沙大学物理学院的彼得·卡普钦斯基博士解释说："空间变化的双折射，即不同偏振光传播速度的差异，其作用就像一个合成磁场。我们称之为'合成'磁场，因为其数学描述与磁场的表现非常相似，尽管物理上并不存在真正的磁场。其结果是，光开始'弯曲'，就像电子在回旋轨道上运动一样。"

为了增强这一效应，toron被置于一个光学微腔内——这是一种由反射镜构成的结构，光在其中被反复反射并长时间约束。"这使得合成磁场效应大大增强。"穆申斯基博士说，"此外，我们还可以通过施加外部电压来控制陷阱的大小，进而控制光的特性。"

然而，最重要的结果甚至更加出人意料。

触及基态的龙卷风

"在典型的系统中，携带轨道角动量的光出现在激发态。"克莱蒙奥弗涅大学及法国国家科学研究中心（CNRS）的纪尧姆·马尔皮什教授解释道，他与德米特里·索尔尼什科夫教授及博士后研究员丹尼尔·博比列夫共同建立了该现象的理论模型，"我们首次在基态，即最低能量状态下获得了这一效应。这具有重要意义，因为基态是最稳定的状态，也是能量最容易在其中累积的状态。"

什奇特科教授强调："这使得实现激光发射变得容易得多。光自然'选择'这个状态，因为它与最低的损耗相关联。"

激光发光与类夸克行为

为了验证这一点，研究人员向系统中添加了激光染料。"我们获得的光不仅旋转，而且表现得像激光：它是相干的，并具有明确的能量和发射方向。"马尔钦·穆申斯基博士说。

德米特里·索尔尼什科夫教授补充道："有趣的是，我们的方法借鉴了涉及所谓矢量电荷的非常前沿的理论。因此，在某种程度上，我们成功让光子的行为不仅像电子，甚至像构成质子的带电粒子——夸克。"

军事科技大学的维克托·皮切克教授总结道："这一发现表明，我们可以利用自组织材料，而非依赖复杂的纳米技术。未来，这可能会催生更简单、更具扩展性的光子器件，例如用于光通信或量子技术。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aeb6167