光也可以攜帶角動(dòng)量？世界上第一臺(tái)“超手性光”激光器誕生

【手機(jī)軟件：博科園】世界上第一臺(tái)產(chǎn)生“超手性光”的超表面激光器誕生：具有超高角動(dòng)量的光。來自該激光器的光，可以用作光通信中的一種“光學(xué)扳手”，或用于對(duì)信息進(jìn)行編碼。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的南非約翰內(nèi)斯堡威特沃特斯蘭德大學(xué)(Wits)物理學(xué)院的安德魯·福布斯教授說：因?yàn)楣饪梢詳y帶角動(dòng)量，這意味著這可以轉(zhuǎn)移到物質(zhì)上，光攜帶的角動(dòng)量越多，它可以傳遞的越多。

所以你可以把光想象成一把‘光學(xué)扳手’，而不是使用物理扳手?jǐn)Q東西(如擰螺母)，現(xiàn)在你可以用光線照射螺母，它會(huì)自動(dòng)擰緊。新激光器產(chǎn)生一種新的高純度“扭曲光”，這是以前從激光器中觀察不到的，其中包括激光器報(bào)告的最高角動(dòng)量。同時(shí)，研究人員開發(fā)了一種納米結(jié)構(gòu)的亞表面，它具有有史以來最大的相位梯度，并允許在微型設(shè)計(jì)中進(jìn)行高功率操作，這意味著這是一種世界上第一臺(tái)激光器

可以根據(jù)需要產(chǎn)生奇異的扭曲結(jié)構(gòu)光狀態(tài)，其研究成果發(fā)表在《自然光子學(xué)》期刊上。該研究是WITS與南非科學(xué)與工業(yè)研究委員會(huì)(CSIR)、美國哈佛大學(xué)、新加坡國立大學(xué)、比利時(shí)布魯塞爾Vrije University和CNST-Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia通過Giovanni Pascoli(意大利)合作完成。這是一種新的激光，可以產(chǎn)生任何所需的手性光狀態(tài)。并完全控制光的角動(dòng)量(AM)分量、光的自旋(偏振)和軌道角動(dòng)量(OAM)。

由哈佛大學(xué)研究小組設(shè)計(jì)的新型納米尺寸（比人類頭發(fā)的寬度小1000倍）亞表面在激光器中提供了完全的控制，使得激光設(shè)計(jì)成為可能。超表面是由許多微小納米材料棒組成，當(dāng)光線通過時(shí)，它們會(huì)改變光線，光多次穿過變形曲面，每次都會(huì)接收新的扭曲。特別之處在于，對(duì)于光來說，這種材料具有在自然界中找不到的特性。因此被稱為“超材料”，這是一種虛構(gòu)的材料，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)非常小，所以只出現(xiàn)在表面上，形成一個(gè)超表面。

其結(jié)果是產(chǎn)生了新形式的手性光，到目前為止還沒有從激光上觀察到，并在光源上完全控制了光的手性，結(jié)束了一項(xiàng)開放的挑戰(zhàn)。目前有一股強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，試圖用扭曲光來控制手性物質(zhì)，而要做到這一點(diǎn)，需要扭曲程度非常高的光：超手性光。各個(gè)行業(yè)和研究領(lǐng)域都需要超手征光來改進(jìn)工藝，包括食品、計(jì)算機(jī)和生物醫(yī)藥行業(yè)。在物理機(jī)械系統(tǒng)無法工作的地方，可以用這種類型的光驅(qū)動(dòng)齒輪，比如在微流控系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)流量。

手性挑戰(zhàn)

研究的目標(biāo)是在芯片上而不是在大型實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行藥物治療，通常被稱為芯片上實(shí)驗(yàn)室。因?yàn)橐磺卸己苄?，所以光被用來控制：移?dòng)?xùn)|西并對(duì)東西進(jìn)行分類，比如好的和壞的細(xì)胞。扭曲的光可以用來驅(qū)動(dòng)微型齒輪來推動(dòng)流動(dòng)，并用光來模擬離心機(jī)?！笆中浴笔腔瘜W(xué)中經(jīng)常使用的一個(gè)術(shù)語，用來描述作為彼此鏡像的化合物。這些化合物有一種“慣用手”，可以被認(rèn)為是左撇子或右撇子。例如，檸檬和橙子是味道相同的化合物，只是它們的“慣用手”不同。

光也是有手性的，但有兩種形式：自旋(偏振)和OAM。自旋AM類似于圍繞自己軸旋轉(zhuǎn)的行星，而OAM類似于繞太陽運(yùn)行的行星。在光源上控制光的手性，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，也是一項(xiàng)高度專題性的任務(wù)，因?yàn)樾枰膽?yīng)用很多，從手性物質(zhì)的光學(xué)控制，到計(jì)量學(xué)，再到通信。完全的手性控制意味著可以控制光的全部角動(dòng)量、偏振和OAM。由于設(shè)計(jì)限制和實(shí)現(xiàn)障礙，到目前為止，只產(chǎn)生了非常小的手性態(tài)子集。

變形表面激光器

研究已經(jīng)設(shè)計(jì)出巧妙的方案，可以控制OAM光束的螺旋度(自旋和直線運(yùn)動(dòng)的組合)，但它們也僅限于這組對(duì)稱的模式。到目前為止，還不可能寫下一些所需的光手性狀態(tài)，然后用激光器產(chǎn)生它。該激光器使用變形表面使光具有超高的角動(dòng)量，在相位上有前所未有的“扭曲”，同時(shí)也控制了偏振。通過任意的角動(dòng)量控制，可以打破標(biāo)準(zhǔn)的自旋-軌道對(duì)稱性，使第一個(gè)激光器在光源處產(chǎn)生完全的光角動(dòng)量控制。

這種準(zhǔn)表面是由精心制作的納米結(jié)構(gòu)制成，以產(chǎn)生所需的效果，是迄今為止制造的最極端OAM結(jié)構(gòu)，具有迄今最高的相位梯度。亞表面的納米分辨率使低損耗、高損傷閾值的高質(zhì)量渦旋成為可能，使激光成為可能。結(jié)果是一種激光器可以同時(shí)在10和100的OAM狀態(tài)上產(chǎn)生激光，以獲得迄今為止最高的AM。在變形表面被設(shè)置為產(chǎn)生對(duì)稱狀態(tài)的特殊情況下，激光器然后產(chǎn)生從定制結(jié)構(gòu)光激光器所有先前的OAM狀態(tài)。

展望未來

研究發(fā)現(xiàn)特別令人興奮的是：該方法適用于許多激光架構(gòu)。例如，可以增加增益體積和變形表面大小，以生產(chǎn)高功率的塊狀激光器，或者可以將系統(tǒng)縮小到使用單片變形表面設(shè)計(jì)的芯片上。在這兩種情況下，激光模式都將由泵浦的偏振來控制，除了亞表面本身，不需要腔內(nèi)元件。研究代表著朝著將塊狀激光器的研究與片上器件研究相結(jié)合邁出了重要的一步。

博科園｜研究/來自：威斯大學(xué)