新发现：电子在循环运动中会辐射出涡旋光子

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摘要：研究人员在理论和实验上已经表明，从无线电波到到伽马射线的整个波长范围内，环形/螺旋运动中的高能电子会辐射涡旋光子。 这大大拓宽了在物理科学领域的涡旋光子的应用光谱。 此外，这一发现表明，涡旋光子在宇宙中是普遍存在的。 它为一个全新的研究领域，自然涡流光子学铺平了道路。

相对论电子束的紫外线辐射被双缝衍射。 与普通光（左）相反，衍射显示中心部分的形变（右）表明存在相位奇异性，这是涡旋性质的明确证据。图片来源：分子科学研究所

IMS的研究人员及其合作者在理论和实验上已经表明，从无线电波到到伽马射线的整个波长范围内，环形/螺旋运动中的高能电子会辐射涡旋光子。 这大大拓宽了在物理科学领域的涡旋光子的应用光谱。 此外，这一发现表明，涡旋光子在宇宙中是普遍存在的。 它为一个全新的研究领域，自然涡流光子学铺平了道路。

光是一种波。 有时它被称为电磁波，电场和磁场相互振荡，且在空间中振荡传播。 通常，光具有平面波前。 相反，光涡旋具有螺旋波前，并具有轨道角动量。 25年前，人们在理论上预测了这种特殊光子的存在。 如今，尽管波长被限制在可见光附近，在实验室中这样的光子可以通过使用特殊的光学设计很容易地产生。 研究人员正在探索其在纳米技术，成像和信息/通信技术领域的应用。另一方面，能够产生涡流光子的自然基本过程还不为人所知，除了理论上在旋转的黑色环境周围的强重力场中，或者通过不均匀的星际介质，普通光子可能转变成涡旋光子。

大约10年前，理论上预测，波荡器是广泛用于现代同步加速器光源的器件，能够在X射线范围内产生涡旋光子。几年后，德国的同步加速器实验上证实了这一点。然而，光学涡旋产生的大部分显著特征仍然未被证实。IMS的研究人员及其合作者在理论上对这一过程进行了调查，发现它基于更一般和基本的过程。他们已经表明，圆形或螺旋形运动的电子辐射涡旋光子。由于这个过程是天体物理学或等离子体物理学中各种重要的辐射过程的基础，如回旋加速器辐射，同步加速器辐射或康普顿散射，所以许多教科书或研究论文中已经对其进行了描述。然而，到目前为止，还没有讨论这种辐射的涡旋性质。基于物理条件，这种辐射的波长从无线电波延伸到伽马射线。这个新的发现表明，在整个波长范围内，宇宙中的各种情况下都会产生涡旋光子。

此外，IMS的研究人员及其合作者首次成功地对来自同步加速器光源UVSOR-III的波动器辐射进行了精确的实验观察。 他们观察到在螺旋运动中的电子束发射的紫外光，并表明在波荡器的光子束的中心存在称为相位奇异性的特殊结构。 此外，较高能量的光子已被证明承载更大的角动量。 这些测量明确地支持着理论预测。

IMS 的Masahiro Katoh教授说到：“在宇宙中，涡旋光子应该是普遍存在，他们在自然界中扮演什么样的角色？我们的成就打开了一个全新的研究领域。”

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