「光學旋轉」是研究人員創造的術語，用來描述新發現的光結構。可以形成螺旋狀的光束，被稱為光學渦旋，如今已廣泛應用於各種領域。哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的應用物理學家突破了結構光的極限，並報告了一種新型光學渦旋光束。

這種光束不僅在傳播過程中發生扭曲，還會在不同區域以不同的速率變化，從而形成獨特的圖案。其行為類似於自然界中常見的螺旋形狀。

研究人員借鑒經典力學，將他們從未演示過的光渦旋暱稱為「光學旋轉體」（optical rotatum），以描述光螺旋形狀的扭矩如何逐漸變化。在牛頓物理學中，「旋轉體」指的是物體扭矩隨時間的變化率。

光學旋渦是由費德里科·卡帕索（Federico Capasso）的實驗室研發的。卡帕索是應用物理學羅伯特·L·華萊士（Robert L. Wallace）教授，同時也是海洋工程學院電機工程高級研究員文頓·海耶斯（Vinton Hayes）。 「這是一種新的光行為，它由一個在空間中傳播並以不同尋常的方式變化的光學渦旋組成，」卡帕索說。 「它對操控微小物質具有潛在的用途。」這項研究發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上。

研究人員發現，它們攜帶軌道角動量的光束以一種在自然界中隨處可見的數學上可識別的模式增長。它們的光學旋轉與斐波那契數列（因《達文西密碼》而聞名）相似，呈對數螺旋線傳播，這種螺旋線在鸚鵡螺殼、向日葵種子和樹枝中都能看到。

光學旋轉體的對數螺旋線遵循著自然界中常見的圖案，包括鸚鵡螺殼。圖片來源：卡帕索實驗室/哈佛大學海洋與應用科學學院

「這是這項研究意想不到的亮點之一，」第一作者艾哈邁德·多拉（Ahmed Dorrah）說道，他曾是卡帕索實驗室的研究員，現在是埃因霍溫理工大學的助理教授。 “希望我們能夠激勵其他應用數學專家進一步研究這些光模式，並對它們的普遍特徵獲得獨特的見解。”

這項研究建立在先前研究的基礎上，該團隊利用超表面（一種蝕刻有光彎曲奈米結構的薄透鏡）創造了一束沿傳播路徑具有可控偏振和軌道角動量的光束，將任何輸入的光轉換成隨移動而變化的其他結構。現在，他們為光引入了另一個自由度，使其在傳播過程中也能改變其空間扭矩。

「我們展示了更靈活的控制方式，而且我們可以連續地進行這種控制，」卡帕索實驗室的研究生、這項研究的共同作者阿方索·帕爾米耶里(Alfonso Palmieri) 說道。

這種奇特光束的潛在用途包括透過引入一種與光的異常扭矩相符的新型力來控制極小的顆粒，例如懸浮液中的膠體。它也可以用於製造精密的光鑷，對微小物體進行微操作。

雖然其他人已經演示了使用高強度雷射和龐大裝置的扭矩變化光，但哈佛團隊只用單個液晶顯示器和低強度光束就實現了這一功能。透過展示他們能夠在工業兼容的整合設備中創建旋轉體，他們的技術實現的門檻比之前的演示要低得多。

編譯自/ scitechdaily