光能像旋风一样旋转吗？来自华沙大学、军事技术大学和CNRS巴斯克研究所的科学家们给出了响亮的“能”，他们在极小的结构中制造出旋转的“光学龙卷风”。这一进展指向了一种构建复杂形状微型光源的新方法，可能支持更简单、更可扩展的光子器件，用于光通信和量子技术。
“我们的解决方案结合了多个物理学领域，从量子力学到材料工程，再到光学和固体物理学，”研究小组负责人、华沙大学的Jacek Szczytko教授解释道。“灵感来自原子物理学中已知的系统，其中电子可以占据不同的能量态。在光子学中，光学陷阱扮演着类似的角色，它们限制光而不是电子。”该研究的第一作者、来自华沙大学和纽约城市学院的Marcin Muszyński博士补充道：“你可以把它想象成一个光学涡旋。光波绕其轴扭曲，其相位以螺旋方式变化。此外，甚至偏振——电场振荡的方向——也开始旋转。”
这些结构化光态对于量子通信和控制微观物体等应用很有吸引力，但产生它们通常需要复杂的纳米结构或大型实验系统。该团队选择了不同的策略，使用液晶——一种像液体一样流动但其分子像晶体一样有序排列的材料。在这种材料中，可以形成称为torons的特殊缺陷。“它们可以被想象成紧密扭曲的螺旋，类似于DNA，”华沙大学纳米技术学生Joanna Mędrzycka解释道，她与军事技术大学的Eva Oton博士一起制备了液晶样品。“如果这样的螺旋通过将其末端连接成一个类似甜甜圈的环来闭合，我们就得到了一个toron。”
为了增强效果，toron被放置在一个光学微腔内——一个由镜子组成的结构，可以反复反射光并将其限制住。“这使得场强得多，”Muszyński博士说。“此外，我们可以使用外部电压控制陷阱的大小，从而控制光的性质。”该团队还实现了一些新东西：基态（最低能量态）中的稳定光涡旋。“我们首次在基态中获得了这种效果，”来自克莱蒙奥弗涅大学和CNRS的Guillaume Malpuech教授解释道，他与Dmitry Solnyshkov教授和博士后Daniil Bobylev共同开发了理论模型。“这很重要，因为基态是最稳定的，能量最容易在其中积累。”为了确认激光作用，研究人员引入了激光染料，获得了旋转、相干且具有明确能量和发射方向的光。
Dmitry Solnyshkov教授指出：“有趣的是，我们的方法从涉及所谓矢量电荷的非常先进的理论中汲取灵感。所以，在某种程度上，我们成功让光子表现得甚至不像电子，而像夸克。”军事技术大学的Wiktor Piecek教授总结道：“这一发现为创建具有复杂结构的微型光源开辟了新途径。我们可以使用自组织材料，而不是依赖复杂的纳米技术。未来，这可能使更简单、更可扩展的光子器件成为可能，例如用于光通信或量子技术。”