光的轨道角动量与方位角逆流

华沙大学物理系的研究人员将两束顺时针方向扭曲的光束叠加在一起，在叠加后的暗区产生了逆时针方向的扭曲。研究结果发表在著名期刊 "Optica "上。这一发现对研究光与物质的相互作用具有重要意义，也是向观察量子逆流这一奇特现象迈出的一步。

想象你正在投掷网球。球开始以积极的势头向前移动。如果球没有碰到障碍物，你不可能期望它突然改变方向，像回旋镖一样回到你身边。例如，当你顺时针旋转这样一个球时，你同样会期望它继续朝同一方向旋转。---华沙大学物理系博士生博尼希卡-戈什（Bohnishikha Ghosh

然而，在量子力学中处理粒子而不是球时，情况就变得复杂了。

在经典力学中，物体的位置是已知的。而在量子力学和光学中，一个物体可以处于所谓的叠加状态，这意味着一个给定的粒子可以同时处于两个或多个位置。---华沙大学物理系量子成像实验室主任 Radek Lapkiewicz 博士

量子粒子，就像前面提到的网球，在某些时间段内有可能向后或向另一个方向旋转。

物理学家称这种现象为逆流。----华沙大学博士生博尼希卡-戈什（Bohnishikha Ghosh

光学中的逆流
迄今为止，量子系统中的逆流还没有被实验检测到。相反，在经典光学中，利用光束可以有效地实现这种现象。

亚基尔-阿哈罗诺夫（Yakir Aharonov）、迈克尔-贝里（Michael V. Berry）和桑杜-波佩斯库（Sandu Popescu）从理论上研究了光波在局部尺度上的异常行为与量子力学中的逆流之间的关系。Y. Eliezer 及其同事合成了一个复杂的波阵面来研究光学逆流。之后，拉狄克-拉普凯维奇博士研究小组的阿纳特-丹尼尔博士等人利用两束光的简单干涉，在一维中显示了这种效应。

阿纳特-丹尼尔博士补充说："我发现这项工作的迷人之处在于，当你进入局部尺度测量的王国时，你很容易意识到事情是如何变得怪异的。

华沙大学物理系的研究人员在最近发表的一篇题为《携带轨道角动量的光的方位角回流》的文章中展示了二维回流效应，该文章发表在备受推崇的《光学》杂志上。

"Lapkiewicz 博士解释说："在我们的研究中，我们将顺时针方向扭曲的两束光叠加在一起，并在局部观测到了逆时针方向的扭曲。

研究人员使用了 Shack-Hartman 波前传感器来观察这一现象。对于二维空间测量，该系统具有出色的灵敏度。它由一个微型透镜阵列和一个 CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器组成。

"我们研究了仅携带负轨道角动量的两束光的叠加，并在干涉图案的暗区观察到正的局部轨道角动量。物理系量子成像实验室的博士生 Bernard Gorzkowski 补充说："这就是方位角回流。

值得注意的是，1993 年，Marco Beijersbergen 等人利用圆柱透镜首次在实验中产生了具有方位（螺旋）相位依赖性的轨道角动量携带光束。此后，它们被广泛应用于光学显微镜和光镊等领域，光镊的发明者阿瑟-阿什金获得了 2018 年诺贝尔物理学奖。

这些工具能够在微米和纳米尺度上对物体进行广泛操作。目前，人们正利用光镊研究 DNA 链、细胞膜的机械特性，以及癌细胞和健康细胞之间的相互作用。

当物理学家演奏贝多芬
科学家们强调，相位超振荡可以解释他们目前的演示。2010 年，布里斯托尔大学物理学家迈克尔-贝里（Michael Berry）教授首次描述了波的超振荡与量子力学中的逆流之间的联系。

当叠加的局部振荡快于其最快的傅立叶分量时，就会出现一种被称为超振荡的现象。亚基尔-阿哈罗诺夫（Yakir Aharonov）和桑杜-波佩斯库（Sandu Popescu）于 1990 年做出了最初的预测，他们发现正弦波的某些组合会导致集体波区的摆动速度快于任何部分。

迈克尔-贝里（Michael Berry）在他的出版物《比傅立叶更快》中证明了超振荡的潜力，他展示了贝多芬的第九交响曲理论上只需组合频率低于 1 赫兹的声波即可演奏，而这种声波的频率低到人类无法听到。然而，由于超振荡区的波幅相对较小，这非常不切实际。

Bohnishikha Ghosh总结说："我们提出的回流是相位快速变化的一种表现形式，这在涉及光-物质相互作用的应用中可能具有重要意义，例如光学捕获或设计超精密原子钟。"

除此以外，华沙大学物理系研究小组发表的论文还向观测二维量子逆流迈出了一步，理论上二维量子逆流比一维量子逆流更有弹性。

FIRST TEAM项目 "用于量子计量学和超分辨率显微镜的时空光子相关测量 "由欧盟欧洲地区发展基金（POIR.04.04.00-00-3004/17-00）共同资助，波兰科学基金会为这项研究提供了支持。

参考资料

Ghosh, B., et al. (2023) Azimuthal backflow in light carrying orbital angular momentum. Optica. doi:10.1364/OPTICA.495710.