由广岛大学研究生院先进理工系科学研究科的和田真一副教授和太田宽之（毕业生）、该大学放射光科学研究中心加藤政博特任教授、名古屋大学全学技术中心、名古屋大学同步加速器光研究中心组成的联合研究团队发表研究成果称，利用分子科学研究所极紫外光研究设施的同步辐射光源UVSORⅢ通过杨氏双缝干涉实验证明，由高能电子自发发射的光学涡旋，为按照螺旋状传播的特殊光，而且构成光学涡旋的每个光粒子（光子）也具有涡旋特性。相关成果已刊登在国际学术杂志《Scientific Reports》12月27日号上。
图1.实验概略图。在被称为螺旋波荡器的磁体阵列中使高速电子螺旋运动产生光学涡旋，并用摄像机拍摄通过双缝发生干涉的结果。结果验证了每个光子都具有涡旋特性。（供图：广岛大学）
当光波在三维空间中传播时，波纹按照被称为波面的面扩展传播，由于这个波面是球体的表面，因此称为球面波。在波源很远时，球面波可以用平面来近似，因此也被称为平面波。此外，已知还存在不同于上述波形、呈现螺旋波面的特殊光（光学涡旋）。1992年，光学涡旋的存在在理论上被证明，此后通过实验也可产生光学涡旋。
此次，研究团队重点研究了通过螺旋波荡器（同步辐射发生装置）时高速螺旋运动的电子产生的光。螺旋波荡器使电子的蜿蜒运动在水平和垂直方向的基础上，进行螺旋运动而布置磁体阵列，从而可以使电子进行螺旋运动。从该电子发射的光包含电子的螺旋运动被转为光学涡旋的光成分。
为了研究单个电子运动产生的每个光子是否也具有涡旋特性，研究团队进行了杨氏双缝干涉实验。该实验是英国物理学家托马斯·杨演示光的波动性的实验，通过将相同波的光同时照射于2个狭窄的缝隙，因光的干涉会产生光的明暗条纹。
在通过波荡器的电子产生的同步加速器辐射中，使用波长滤波器通过波长选择仅提取具有光学涡旋特性的成分，并且进一步使用中性密度滤波器制造光子可一一通过双狭缝的条件，并用高速相机拍摄干涉的过程。
在整合单个拍摄图像的过程中，可以确认到干涉条纹的形成。此外还发现中心出现了光子涡旋特有的暗淡且弯曲的条纹图案。
上述结果表明，螺旋运动的高能电子发射出的每个光子在本质上都具有螺旋波面的特性。
和田副教授表示：“光对我们来说是非常熟悉的事物，对它的研究也由来已久。然而，随着科学技术的进步，即使在今天，光的新性质仍在不断被发现。去年年末获得诺贝尔物理学奖而成为热门话题的阿秒脉冲光就是一个例子。而本次的‘光学漩涡’也是相对最近才被制造出来。这种被称为‘光学漩涡’的稀有光具有怎样的利用价值，以及能为人类带来怎样的效益，目前正在进行各种研究。我们对光学漩涡的未来充满期待”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Scientific Reports, 13, 22962 (2023)
论文：Young’s double-slit experiment with undulator vortex radiation in the photon-counting regime
DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-023-49825-4
