当我们把几个“甜甜圈”放在一起时，我们会得到什么？根据光学物理学家的说法：“牛角面包”。
这是新研究的结果，揭示了光的一种前所未见的特性，即自扭矩。这一新发现的光子特征涉及旋转越来越快的扭曲激光束，类似于流进排水沟的水。6 月 27 日《科学》杂志描述了这种奇怪的行为，有一天可能会导致通信技术的改进和操纵微观物体的新方法。
研究合著者、该大学天体物理实验室联合研究所物理化学家凯文·多尼 (Kevin Dorney) 表示：“在科学领域，我们总是在发现新事物，但我们并不是每天都会发现基本的新特性。”位于博尔德的科罗拉多州 (JILA) 和美国国家标准与技术研究所。
极限光学烹饪
羊角面包形激光器的配方始于一种具有轨道角动量特性的光。这一特性于 1992 年被正式发现，可以传输到穿过贝壳形透镜的激光束。光线就像围绕中心点的螺旋线一样出现。如果将此激光指向某个表面，它看起来就像一个中心有孔的脂肪环，或者更通俗地说，一个甜甜圈。
如果我们将一个纳米粒子放在它的路径上，它就会开始像行星一样围绕恒星旋转——这就是该属性的天文学昵称。
多尼和他的同事一直致力于在电磁波谱中的极紫外线区域产生具有轨道角动量的光，该区域位于黑光灯产生的紫外线和医疗技术中使用的高能 X 射线之间。
极紫外激光是使用从气态氩原子集合中捕获的两个红色光脉冲产生的。激光的红光释放出氩气的电子，“这些电子像冲浪者一样在激光波上滑行，同时积累能量，”多尼说。当新激发的电子返回到氩原子时，它们以具有轨道角动量的极紫外光子的形式释放多余的能量。
研究小组想知道，如果初始红色激光脉冲具有不同的轨道角动量速度，同时彼此不同步几毫秒，会发生什么。模拟显示，环形光脉冲以一种奇怪的方式聚集在一起，导致螺旋极紫外光束的扭曲迅速增加。在这些模型中，紫外线激光的横截面类似于残月，或者用糕点术语来说，类似于羊角面包。
“我们没想到将甜甜圈放在一起会制成牛角面包，”多尼说。但当研究人员用真光进行实验时，发生了这样的事情：“我们按下正确的按钮，平底锅从甜甜圈变成羊角面包，然后又回来。”
美好未来
研究小组将这种新发现的特性称为自扭矩光，因为它类似于螺丝刀在拧紧螺丝时加速，只不过在这种情况下，扭矩是由外部因素引起的——比如手加速螺丝刀。在自然界中，在某些系统中很少观察到真正的自扭矩，并且通常仅在极端情况下发生。例如，当两个黑洞相互旋转时，它们的引力相互作用会迅速加速它们的旋转。
那么自扭力灯有什么用呢？
“简短的回答是：我们仍在努力解决这个问题，”多尼说。“这个属性是最近才出现的，其直接应用尚不明显。”
25 多年前，当具有轨道角动量的光首次产生时，情况大致相同。如今，其应用包括制造功能极其强大的显微镜、移动工业机器中的微小零件以及通过光通信网络以极高的速率发送数据。也许这就是为什么光的另一个新特性的发现让该领域的其他研究人员感到震惊。
“这非常令人兴奋和着迷，”洛杉矶南加州大学的电气工程师艾伦·威尔纳（Alan Willner）说道，他没有参与这项研究。“这就像一份礼物，总是能提供更多东西。”
