Forskare vid IMS och deras medarbetare har teoretiskt och experimentellt visat att en elektron med hög energi i cirkel-/spiralrörelse utstrålar virvelfoton från radiovåglängden till gammastrålning. Detta breddar kraftigt tillämpningsspektra för virvelfotonerna inom fysik. Dessutom, fyndet indikerar att virvelfoton är allestädes närvarande i universum. Det banar väg för ett helt nytt forskningsfält:naturlig virvelfotonvetenskap.

Ljus kallas ibland en elektromagnetisk våg, där elektriska och magnetiska fält oscillerar och svängningarna förökar sig i rymden. I vanliga fall, ljuset har en plan vågfront. I kontrast, en optisk virvel har en spiralformad vågfront och bär orbitalt vinkelmoment. Förekomst av sådana märkliga fotoner förutspåddes teoretiskt för cirka 25 år sedan. I dag, sådana fotoner kan enkelt produceras i laboratorier med hjälp av speciella optiska enheter, även om våglängderna är begränsade i närheten av synligt ljus. Forskare utforskar sina tillämpningar inom nanoteknik, bild- och information/kommunikationsteknik. Å andra sidan, en naturlig elementär process som kan producera virvelfotoner har inte hittats, även om det finns några teoretiska förslag om att normala fotoner kan omvandlas till virvelfotoner i ett starkt gravitationsfält runt ett roterande svart hål eller som passerar genom inhomogena interstellära medier.

För cirka 10 år sedan, forskare förutspådde teoretiskt att en böljare, en enhet som ofta används i moderna synkrotronljuskällor, skulle kunna producera virvelfotoner inom röntgenområdet. Detta bekräftades experimentellt flera år senare vid en tysk synkrotron. Dock, en majoritet av de signifikanta egenskaperna hos optisk virvelgenerering har förblivit okontrollerad. Forskare vid IMS och deras medarbetare undersökte teoretiskt denna process och har visat att en elektron i cirkulär eller spiralrörelse utstrålar virvelfoton. Denna process är grunden för olika viktiga strålningsprocesser inom astrofysik och plasmafysik, såsom cyklotronstrålning, synkrotronstrålning och Compton -spridning, och har beskrivits i många läroböcker eller forskningsartiklar. Dock, det har inte diskuterats om virveln av denna strålning. Våglängden för denna strålning sträcker sig från radiovåg till gammastrålning, beroende på det fysiska tillståndet. Detta nya fynd indikerar att virvelfotoner produceras i olika situationer i universum, i hela våglängdsområdet.

Vidare, forskarna vid IMS och deras medarbetare lyckades med en exakt experimentell observation av böljestrålningen från en synkrotronljuskälla, UVSOR-III, för första gången (figur). De observerade UV -ljuset från en elektronstråle i spiralrörelse, och indikerade att det finns en speciell struktur som kallas en fassingularitet i mitten av fotonstrålen från böljaren. Dessutom, Fotoner med högre energi har visat sig bära större vinkelmoment. Dessa mätningar stöder definitivt den teoretiska förutsägelsen.

Professor Masahiro Katoh (IMS) säger, "Vortexfoton bör vara allestädes närvarande i universum. Vilken roll spelar de i naturen? Vår prestation öppnar ett helt nytt forskningsfält."

Forskningen publiceras i Vetenskapliga rapporter .