Draaiende of roterende objecten zijn heel gewoon, van speelgoedtoppen, fidget spinners, en kunstschaatsers naar water dat door een afvoer stroomt, tornado's, en orkanen.

in de natuurkunde, er zijn twee soorten rotatiebewegingen:spin en orbitaal. De beweging van de aarde in ons zonnestelsel illustreert deze; de dagelijkse 360-graden rotatie van de aarde om zijn eigen as is spinrotatie, terwijl de jaarlijkse reis van de aarde rond de zon een orbitale rotatie is.

De hoeveelheid in de natuurkunde gedefinieerd om een ​​dergelijke beweging te beschrijven is impulsmoment (AM). AM is een geconserveerde hoeveelheid:gegeven een aanvankelijke hoeveelheid ervan, het kan worden opgebroken en herverdeeld over deeltjes zoals atomen en fotonen, maar de totale AM ​​moet hetzelfde blijven. AM is ook een vector:het is een grootheid die een richting heeft, en deze richting staat loodrecht op het vlak waarin de roterende circulatie plaatsvindt.

Voor lichtdeeltjes in laserstralen - fotonen - zijn deze twee soorten AM aanwezig. Fotonen hebben spin, maar roteren niet om hun eigen as; in plaats daarvan, het spin-impulsmoment (SAM) komt van de rotatie van het elektrische veld van het foton, en SAM kan alleen naar voren of naar achteren wijzen ten opzichte van de bundelrichting.

Fotonen in laserstralen kunnen ook orbitaal impulsmoment (OAM) hebben. De eenvoudigste laserstraal waarin fotonen OAM hebben, is de donutstraal:als je zo'n straal op de muur schijnt, het ziet eruit als een heldere donut of ring met een donker centrum. De OAM-vector wijst ook naar voren of naar achteren, en de OAM is hetzelfde voor elk foton in de bundel.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift optiek , Professor Howard Milchberg van de Universiteit van Maryland en onderzoeksgroep demonstreren het verrassende resultaat dat fotonen in vacuüm OAM-vectoren kunnen hebben die zijwaarts wijzen, op 90 graden ten opzichte van de voortplantingsrichting - een resultaat dat letterlijk loodrecht staat op de decennialange verwachting dat OAM-vectoren alleen naar voren of naar achteren konden wijzen.

Het onderzoeksteam, die naast Milchberg afgestudeerde student en hoofdauteur Scott Hancock en postdoctoraal onderzoeker Sina Zahedpour omvat, deden dit door een donutpuls te genereren die ze een "edge-first flying donut" noemden (de meer technische naam is spatio-temporal optische vortex, of STOV). Hier, het donutgat is zijwaarts gericht, en omdat de rotatiecirculatie nu rond de ring plaatsvindt, de AM-vector wijst loodrecht op het vlak waarin de ring zich bevindt. Om te bewijzen dat deze zijwaarts gerichte OAM geassocieerd is met individuele fotonen en niet alleen met de algemene vorm van de vliegende donut, het team stuurde de puls door een niet-lineair kristal om een ​​proces te ondergaan dat tweede harmonische generatie wordt genoemd, waarbij twee rode fotonen worden omgezet in een enkel blauw foton met dubbele frequentie. Dit vermindert het aantal fotonen met een factor 2, wat betekent dat elk blauw foton twee keer de zijwaarts wijzende OAM moet hebben - en dat is precies wat de metingen van het team lieten zien. De AM van de vliegende donut of STOV is het samengestelde effect van een zwerm fotonen die in lockstep salto's maakt.

Er zijn tal van potentiële toepassingen van STOV's. Bijvoorbeeld, de AM-conservering belichaamd door salto's van fotonen kan STOV-stralen bestand maken tegen uiteenvallen door atmosferische turbulentie, met mogelijke toepassing op optische communicatie in de vrije ruimte. In aanvulling, omdat STOV-fotonen in lichtpulsen moeten voorkomen, dergelijke pulsen kunnen worden gebruikt om een ​​breed scala aan materialen dynamisch te exciteren of om ze te onderzoeken op manieren die de OAM en het donutgat exploiteren.

"STOV-pulsen kunnen een grote rol spelen in niet-lineaire optica, " zegt Milchberg, "waar bundels het materiaal kunnen beheersen waarin ze zich voortplanten, waardoor nieuwe toepassingen in bundelfocussering mogelijk zijn, sturen, en schakelen."