Only Perception: 物理學家希望使光線打結

2008-09-15

物理學家希望使光線打結

Physicists hope to tie light beams in knots
http://www.physorg.com/news140438326.html

September 12, 2008
By Lisa Zyga

通常，光束以直線方式照耀，還包括光因為重力而被曲折這個可能的例外。但是，科學家現在正研究如何使光束變成環繞與打結的配置。這些結構化光束的可能性來自於 Maxwell 方程式，那描述電與磁的基礎，某些奇特的解。

紐約大學的 William Irvine 與 UCSB 與荷蘭 Leiden 大學的 Dirk Bouwmeester 這二位物理學家在 Nature Physics 上就他們對於打結光線的分析發表了一項研究。科學家們觀察打結光線的物理特性，並發現那能利用圓形偏振（circularly polarized）雷射光束試驗性地產生。

在 Maxwell 方程式某些不為人所知的解中，所有的電與磁場線（field lines）形成圓形，它們全都彼此相連。這些環繞的場線能用來構成甜甜圈形的環面（torus）。在這個局面中，每個圓圈環繞這個環面一次，而且兩圓圈之間不會彼此交錯。較小的環面（tori，譯註：torus 的複數形）能在較大的當中套疊（nested，譯註：想想俄羅斯娃娃），以光束的圓圈填充三維空間。

物理學家們表示，因為這種錯綜複雜的打結結構，這些解與任何已知的現存光線形態有所不同。如同他們所解釋的，這種結構是基於 Hopf 纖維化（Hopf fibration），那在 1931 年被引介，可在數學上研究球體在四維或更高維度中的結構，這主題似乎與光毫無瓜葛。

在研究打結光線的特性後，物理學家們確定他們能使用雷射場來製造這個結構。以圓形偏振光的單脈衝光束開始，並緊密地使光束聚焦，那應當有可能創造出各種形狀的環形（looped）光束。透過全像技術與空間性光調節器（spatial light modulator）的使用，環形光線的形狀與剖面（profile）也能夠受到控制。同樣的技術最近也被用來製造 Airy 光束（譯註：詳見相關報導），那是當它們傳播時不會散開的光束。

現在，物理學家正準備對這種新解進行一場實驗性的體現，不是利用在可見光區域（optical regime）中的電磁輻射，例如光線，就是在微波區當中的。主要的挑戰將會是對付輻射的超短脈衝以便能創造出頻率的寬光譜（broad spectrum），此為構成光結（light knots）所需。

因為打結的光束同時具有光束般的特性以及獨特的、未經探索的特性，物理學家們預測，這些光束的創造在數種領域中能有所應用。這些將包括電漿侷限（plasma confinement）、原子粒子的設陷捕獲、操縱冷原子的整體（ensembles）以及在非線性介質中產生如光孤子般的溶液（soliton-like solutions）。

※ 相關報導：

＊ Linked and knotted beams of light
http://www.nature.com/nphys/journal/v4/n9/abs/nphys1056.html

William T. M. Irvine & Dirk Bouwmeester
Nature Physics 4, 716 - 720 (2008)
doi: 10.1038/nphys1056

Maxwell's equations allow for curious solutions characterized by the property that all electric and magnetic field lines are closed loops with any two electric (or magnetic) field lines linked. These little-known solutions, constructed by Ranada, are based on the Hopf fibration. Here we analyse their physical properties to investigate how they can be experimentally realized. We study their time evolution and uncover, through a decomposition into a spectrum of spherical harmonics, a remarkably simple representation. Using this representation, first, a connection is established to the Chandrasekhar–Kendall curl eigenstates, which are of broad importance in plasma physics and fluid dynamics. Second, we show how a new class of knotted beams of light can be derived, and third, we show that approximate knots of light may be generated using tightly focused circularly polarized laser beams. We predict theoretical extensions and potential applications, in fields ranging from fluid dynamics, topological optical solitons and particle trapping to cold atomic gases and plasma confinement.