新的激光实验像旋转木马一样旋转光线

在日常生活中，光似乎是无形的。我们穿过它，只需拨动开关就可以创造和消灭它。但是，就像物质一样，光实际上也有一点冲击力——它有动量。光不断地推动物体，甚至可以用来推动航天器。如果光携带轨道角动量（OAM），它也可以使物体旋转——这种特性与旋转物体保持旋转的趋势有关

自90年代初以来，科学家们就知道光可能具有OAM，他们发现光的OAM与光相位中的漩涡或旋涡有关，即构成光的电磁波的波峰或波谷的位置。最初，对OAM的研究集中在光束横截面中存在的涡流上——这种相位像飞机的螺旋桨一样沿着光的路径飞行

但近年来，在麻省理工大学物理学教授Howard Milchberg的领导下，麻省理工学院的物理学家发现，光可以在一个转向侧面的漩涡中携带OAM——相位像汽车上的轮子一样旋转，随着光滚动。研究人员将这些光结构称为时空光学涡旋（STOV），并将其携带的动量描述为横向OAM

Milchberg说：“在我们的实验之前，人们没有意识到光粒子——光子——可能具有侧向指向的OAM。”。“同事们最初认为这很奇怪或错误。现在，对STOV的研究在全球范围内迅速发展，可能在光通信、非线性光学和奇异显微镜等领域有应用。”

在《物理评论X》杂志上发表的一篇文章中，该团队描述了一种新技术，他们用它来改变光脉冲传播时的横向OAM。他们的方法需要一些实验室工具，比如专门的激光器，但在很多方面，它就像旋转游乐场的旋转木马或扭转扳手

“因为STOV是一个新领域，我们的主要目标是从根本上了解它们是如何工作的。而做到这一点的最好方法之一就是把它们搞砸，”麻省理工大学物理学博士后研究员、论文第一作者Scott Hancock说。“基本上，改变光脉冲的横向OAM的物理规则是什么？”

在之前的工作中，Milchberg、Hancock及其同事描述了他们是如何创建和观察携带横向OAM光脉冲的，并在2021年发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，他们提出了一个理论，描述了如何计算这种OAM，并为改变STOV的横向OAM提供了路线图

团队理论中描述的结果与孩子们在操场上玩耍时的物理结果没有太大区别。当你旋转旋转木马时，你通过推动它来改变角动量，而推动的有效性取决于你施加力的位置——你在轴上向内推动不会得到任何东西，而在外缘侧向推动会得到最大的变化

旋转木马的质量及其上的一切也会影响角动量。例如，孩子们从旋转木马上跳下会带走一些角动量，使旋转木马更容易停下来

该团队的光的横向OAM理论看起来与控制旋转木马旋转的物理原理非常相似。然而，他们的旋转木马是一个由光能组成的圆盘，分布在空间的一个维度和时间的另一个维度，而不是两个空间维度，其轴以光速移动

他们的理论预测，推动旋转木马光脉冲的不同部分可以使其横向OAM改变不同的量，如果一点光从一点灰尘上散射并离开脉冲，那么脉冲就会随之失去一些横向OAM。

该团队专注于测试推压横向OAM涡流时发生的情况。但是，改变光脉冲的横向OAM并不像大力推动旋转木马那么容易；没有任何东西可以抓住并施加力。要更改光脉冲的横向OAM，需要轻弹其相位

当光在太空中传播时，其相位会自然变化，相位变化的速度取决于光传播的材料的折射率。因此，Milchberg和团队预测，如果他们能在脉冲经过时在脉冲的选定位置产生折射率的快速变化，它就会弹动脉冲的这一部分

然而，如果整个脉冲以新的折射率穿过该区域，他们预测OAM不会发生变化——就像旋转木马的另一边有人试图放慢速度，而你却试图加快速度

为了测试他们的理论，该团队需要发展以光速移动的脉冲的一小部分的弹击能力。幸运的是，米尔奇伯格的实验室已经发明了合适的工具。在之前的多次实验中，该小组通过使用激光快速产生等离子体来操纵光，等离子体是物质的一个阶段，电子从原子中被撕裂出来。这个过程是有用的，因为等离子体带来了一个新的折射率

在新的实验中，该团队使用激光制作了狭窄的等离子体柱，他们称之为瞬态线，这些等离子体柱足够小，并且在飞行过程中迅速闪光，以瞄准脉冲的特定区域。瞬态金属丝的折射率起到了孩子推旋转木马的作用

研究人员生成了瞬态导线，并仔细对准了他们的所有光束，使导线精确地截获了携带OAM脉冲的所需部分。在部分脉冲通过导线并受到轻击后，脉冲到达该团队发明的一种特殊的光学脉冲分析仪。As p