Onderzoekers van IMS en hun collega's hebben theoretisch en experimenteel aangetoond dat een hoogenergetisch elektron in cirkelvormige/spiraalvormige beweging vortexfotonen uitstraalt van de radiogolflengte naar gammastralen. Dit verbreedt de toepassingsspectra van de vortexfotonen op het gebied van de natuurwetenschap aanzienlijk. Bovendien, de bevinding geeft aan dat vortexfotonen alomtegenwoordig zijn in het universum. Het effent de weg naar een geheel nieuw onderzoeksveld:natuurlijke vortexfotonenwetenschap.

Licht wordt soms een elektromagnetische golf genoemd, waarin elektrische en magnetische velden oscilleren en de oscillaties zich voortplanten in de ruimte. Normaal gesproken, licht heeft een vlak golffront. In tegenstelling tot, een optische vortex bezit een spiraalvormig golffront en draagt ​​een baanimpulsmoment. Het bestaan ​​van dergelijke eigenaardige fotonen werd ongeveer 25 jaar geleden theoretisch voorspeld. Vandaag, dergelijke fotonen kunnen gemakkelijk in laboratoria worden geproduceerd met behulp van speciale optische apparaten, hoewel de golflengten beperkt zijn in de buurt van zichtbaar licht. Onderzoekers onderzoeken hun toepassingen in nanotechnologie, beeld- en informatie-/communicatietechnologieën. Anderzijds, er is geen natuurlijk elementair proces gevonden dat vortexfotonen kan produceren, hoewel er een paar theoretische voorstellen zijn dat normale fotonen kunnen worden omgezet in vortexfotonen in een sterk zwaartekrachtsveld rond een roterend zwart gat of als ze door inhomogene interstellaire media gaan.

Ongeveer 10 jaar geleden, onderzoekers voorspelden theoretisch dat een undulator, een apparaat dat veel wordt gebruikt in moderne synchrotron-lichtbronnen, zou in staat zijn om vortexfotonen te produceren in het röntgenbereik. Dit werd enkele jaren later experimenteel bevestigd bij een Duitse synchrotron. Echter, een meerderheid van significante kenmerken van optische vortexgeneratie is ongeverifieerd gebleven. Onderzoekers van IMS en hun collega's hebben dit proces theoretisch onderzocht en hebben aangetoond dat een elektron in cirkelvormige of spiraalvormige beweging vortexfotonen uitstraalt. Dit proces is de basis van verschillende belangrijke stralingsprocessen in de astrofysica en plasmafysica, zoals cyclotronstraling, synchrotronstraling en Compton-verstrooiing, en is beschreven in veel leerboeken of onderzoekspapers. Echter, er is geen discussie geweest over de vortex-aard van deze straling. De golflengte van deze straling strekt zich uit van radiogolven tot gammastralen, afhankelijk van de fysieke conditie. Deze nieuwe bevinding geeft aan dat vortexfotonen in verschillende situaties in het heelal worden geproduceerd, in het gehele golflengtebereik.

Verder, de onderzoekers van IMS en hun collega's zijn erin geslaagd een nauwkeurige experimentele waarneming van de undulatorstraling van een synchrotron-lichtbron, UVSOR-III, voor het eerst (figuur). Ze observeerden het UV-licht dat door een elektronenstraal wordt uitgezonden in spiraalvormige beweging, en gaf aan dat er een speciale structuur bestaat die een fase-singulariteit wordt genoemd in het midden van de fotonenstraal van de undulator. Bovendien, Van fotonen met hogere energie is aangetoond dat ze grotere hoekmomenten dragen. Deze metingen ondersteunen zeker de theoretische voorspelling.

Professor Masahiro Katoh (IMS) zegt:"Vortex-fotonen zouden alomtegenwoordig moeten zijn in het universum. Wat voor rol spelen ze in de natuur? Onze prestatie opent een totaal nieuw onderzoeksveld."

Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .