Snurrande eller roterande föremål är vanliga, från leksakstoppar, fidget spinners, och konståkare till vattnet som cirkulerar i ett avlopp, tornados, och orkaner.

Inom fysiken, det finns två sorters rotationsrörelser:spin och orbital. Jordens rörelse i vårt solsystem illustrerar dessa; den dagliga 360-graders rotation av jorden runt sin egen axel är rotationsrotation, medan jordens årliga resa runt solen är omloppsrotation.

Mängden i fysiken som definieras för att beskriva sådan rörelse är vinkelmoment (AM). AM är en konserverad kvantitet:givet en initial mängd av den, det kan brytas upp och omfördelas mellan partiklar som atomer och fotoner, men den totala AM måste vara densamma. AM är också en vektor:det är en kvantitet som har en riktning, och denna riktning är vinkelrät mot planet i vilket rotationscirkulationen sker.

För ljuspartiklar i laserstrålar - fotoner - finns dessa två typer av AM. Fotoner har snurr, men rotera inte på sina egna axlar; istället, spin -vinkelmomentet (SAM) kommer från rotationen av fotonets elektriska fält, och SAM kan bara peka framåt eller bakåt med avseende på strålriktningen.

Fotoner i laserstrålar kan också ha orbital vinkelmoment (OAM). Den enklaste laserstrålen där fotoner har OAM är munkstrålen:om du lyser en sådan stråle på väggen, det kommer att se ut som en ljus munk eller ring med ett mörkt centrum. OAM -vektorn pekar också framåt eller bakåt, och OAM är samma för varje foton i strålen.

I en artikel publicerad i tidningen Optica , University of Maryland Professor Howard Milchberg och forskargrupp visar det överraskande resultatet att fotoner i vakuum kan få OAM -vektorer att peka i sidled, vid 90 grader mot förökningsriktningen-ett resultat bokstavligen ortogonalt mot den decennier långa förväntningen att OAM-vektorer bara kunde peka framåt eller bakåt.

Forskargruppen, som förutom Milchberg inkluderar doktorand och huvudförfattare Scott Hancock och postdoktor Sina Zahedpour, gjorde detta genom att generera en munkpuls som de kallar en "edge-first flying donut" (dess mer tekniska namn är spatio-temporal optisk virvel, eller STOV). Här, munkhålet är riktat i sidled, och eftersom rotationscirkulationen nu sker runt ringen, AM -vektorn pekar i rät vinkel mot planet som innehåller ringen. För att bevisa att denna sidledande OAM är associerad med individuella fotoner och inte bara den övergripande formen på den flygande munken, laget skickade pulsen genom en olinjär kristall för att genomgå en process som kallas andra harmoniska generationen, där två röda fotoner omvandlas till en enda blå foton med dubbla frekvensen. Detta minskar antalet fotoner med en faktor 2, vilket betyder att varje blå foton ska ha dubbelt den OAM-riktade åt sidan-vilket är exakt vad lagets mätningar visade. AM för den flygande munken eller STOV är den sammansatta effekten av en svärm av fotoner som störtar i lockstep.

Det finns många möjliga tillämpningar av STOV. Till exempel, AM -bevarande som förkroppsligas av saltläggande fotoner kan göra STOV -strålar resistenta mot uppbrott av atmosfärisk turbulens, med möjlig tillämpning för optisk kommunikation i ledigt utrymme. Dessutom, eftersom STOV -fotoner måste förekomma i ljuspulser, sådana pulser kan användas för att dynamiskt excitera ett brett spektrum av material eller för att sondera dem på sätt som utnyttjar OAM och munhålet.

"STOV -pulser kan spela en stor roll inom olinjär optik, "säger Milchberg, "där strålar kan styra det material de förökar sig i, möjliggör nya applikationer inom strålfokusering, styrning, och byter. "