这一发现来自由英国东英吉利大学（UEA）研究人员领导的一个国际团队，他们与南非的科学家合作。他们的实验表明，经过精心准备的光可以通过其自身的内部几何结构进行控制，这为操纵光的旋转和扭曲提供了一种新方法。
这些发现挑战了关于光的不同特性如何相互作用的长期假设。它们最终可能会带来更灵敏的医学检测、更快更安全的通信，以及利用光来传输和保护信息的先进量子技术。
为什么光的自旋方向很重要
这一发现最引人注目的方面之一涉及手性，这是一个描述左旋和右旋结构之间差异的科学术语。
人的双手提供了一个熟悉的例子。尽管它们互为镜像，但左手无法与右手完美重合。许多分子具有类似的特性，包括药物中使用的化合物。同一分子的两种形态可以具有几乎相同的化学结构，但在体内产生截然不同的效果。
科学家可以通过研究分子与具有特定旋转行为的光如何相互作用来区分这些分子形态。传统上，产生和控制这种光通常需要特殊材料、精心设计的表面，或者能将光束极度紧密聚焦的强力透镜。
该研究表明，经过适当准备的光在传播过程中可以自然产生这种行为，而无需那些额外的光学组件。
“我们的工作表明，光完全可以自行产生这种手性行为，”来自UEA化学、药学和药理学学院的Kayn Forbes博士说。
“你只需要以正确的方式准备它。
“大多数人认为光是沿直线传播的。但科学家也可以创造结构光——即亮度、形状和方向经过精心安排的光。
“一个极端的例子是传播时发生扭曲的光，它形成一种被称为光学涡旋的螺旋形状。每次扭曲都可以携带信息，使得这种光对高速互联网、安全通信和先进传感器具有重要价值。
“光在传播时也可以自旋，这取决于它的偏振方式。这种自旋可以是左旋的或右旋的——这是手性的另一种形式。”
科学家发现光如何产生隐藏的自旋
光可以表现出不同类型的旋转行为。例如，光学涡旋具有围绕其传播方向扭曲的波模式，很像螺旋。光还具有一种称为偏振的特性，描述了其电场如何振荡。某些偏振模式会产生一种称为自旋的旋转形式。
物理学家长期以来一直在研究这两种特性之间的关系。然而，导致这种新观察到的效应的相互作用通常被认为极其微弱，在没有专门实验条件的情况下很难检测到。
研究人员发现，当光束以特定的平衡构型进行准备时，情况就会发生变化。
在这些条件下，光束最初可能没有自旋，但当它在自由空间中传播时，会出现具有自旋行为的明显区域。这种效应不需要光穿过工程材料或额外的光学设备。
“它一开始完全没有自旋，”进行关键实验的硕士生Light Mkhumbuza解释道。“但随着光束向前传播，自旋区域出现并分离出来——就好像自旋一直隐藏着，然后自行显现了。”
研究人员没有通过外部光学组件产生自旋，而是展示了光束现有的内部结构如何决定传播过程中自旋区域的发展位置。
控制光的隐藏几何结构
为了解释这种出乎意料的行为，研究人员求助于拓扑学，这是一个数学领域，研究物体在连续拉伸、弯曲或重塑时保持不变的性质。
来自南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的Isaac Nape博士提供了一种理解该概念的简单方法。
“为了解释这一点，想象一个马克杯和一个甜甜圈，”他说。“你可以在不撕裂的情况下将其中一个变形为另一个，因为它们都有一个洞。那个洞就是一个拓扑特征。”
研究人员发现，结构光具有自身的拓扑特征，这些特征编码在其偏振排列中。
这种底层模式就像数学指纹。即使光束在传播时改变形状，其拓扑结构仍然存在，并影响光束不同区域的演化方式。
因此，光本身的排列可以决定其左旋和右旋自旋模式在何处变得可见。
这一发现为科学家提供了一种通过设计光束的初始结构来引导这种行为的方法，而不再依赖特殊材料来产生所需的效果。
“这为我们提供了一个全新的光调节旋钮。通过调整其拓扑结构，我们可以决定手性出现的方式和位置，”Nape博士说。
医学和通信领域的潜在突破
通过几何结构控制光的能力最终可能会使几种重要的光学技术变得更简单、更经济且更通用。
一个特别有前景的应用涉及医学诊断和药物研究。由于许多具有重要生物学意义的分子具有左旋和右旋形态，精心结构化的光可以帮助科学家以更高的灵敏度识别这些差异。此类工具对于评估药物安全性和检测与疾病相关的生物标志物具有重要价值。
同样的原理也可以支持更小的光学传感器，这些传感器能够识别化学物质或生物物质，而无需庞大、复杂的实验室仪器。
通信技术也可能从中受益。通过将信息编码到不同的扭曲和自旋模式中，研究人员可能能够增加单个光束携带的数据量。这有助于实现更快的光通信、提高信息安全性和构建未来的量子网络。
其他潜在用途包括用光操纵微观粒子、细胞和分子，以及开发更具弹性的量子系统。拓扑特性可能有助于保护脆弱的量子信息免受某些形式的噪声和干扰的影响。
“其影响是深远的，”Forbes博士说。“这项工作可以带来更简单、更灵敏的医学检测，特别是在药物开发方面。
“它还可以用于将更多信息打包到激光束中——提升通信的数据容量，包括未来的量子网络。
“而且由于该效应不依赖易损材料或精密加工的表面，在实际技术应用中可能更容易、更便宜。
“这项研究通过表明可以利用光自身的内部几何结构来控制其行为，从而为新一代光基技术奠定了基础，”他补充道。
这些应用仍然是未来发展的可能性，但这一基础发现为研究人员提供了设计和控制光行为的另一种方法。
光的隐藏特性终获揭示
几十年来，科学家一直依赖日益复杂的光学设备来产生和操纵异常形式的光。这些发现表明，其中一些行为反而可以源自光束中已经编码的精心设计的结构。
通过展示拓扑结构如何控制传播过程中自旋区域的出现，该团队揭示了光的几何结构与其物理行为之间一个此前未被充分认识的联系。
这一发现也说明，对于像光这样为人熟知且被广泛研究的事物，我们仍有许多未知需要探索。
“对于如此熟悉的事物，事实证明光比任何人想象的都要丰富、奇特和强大，”Forbes博士说。
“令人惊讶的是，这种新行为一直都在那里——只是等待着被发现。”
这项名为“利用结构光对手性和自旋的拓扑控制”的研究发表在《Light: Science & Applications》期刊上。