研究表明光子群的翻转步调一致

一个STOV脉冲（左）通过一个非线性晶体进行二次谐波作用，产生了右边的脉冲。

  旋转或旋转的物体是很常见的，从玩具上衣，坐立不安的纺纱机，花样滑冰者到环绕排水沟的水，龙卷风和飓风。

  在物理学中，有两种旋转运动：自旋运动和轨道运动。地球在太阳系中的运动说明了这些；地球每天围绕自己的轴360度旋转是自转，而地球每年围绕太阳运行是轨道旋转。

  物理学中用来描述这种运动的量是角动量(AM)。AM是一个守恒量：给定它的初始量，它可以被分解并在原子和光子等粒子之间重新分配，但总的AM必须保持不变。AM也是一个向量：它是一个有方向的量，这个方向垂直于旋转循环发生的平面。

  对于激光束光子中的光粒子，存在这两种AM。光子有自旋，但不绕自己的轴旋转；相反，自旋角动量（SAM）来自光子电场的旋转，SAM只能指向光束方向的前后。

  激光束中的光子也可以有轨道角动量（OAM）。光子具有OAM的最简单的激光束是圆环光束：如果你把这样的光束照在墙上，它看起来像一个明亮的甜甜圈或带有暗中心的圆环。OAM矢量也指向前或向后，而光中的每个光子的OAM也是相同的。

  在《Optica》杂志上发表的一篇论文中，马里兰大学教授Howard Milchberg和研究小组证明了一个令人惊讶的结果，即真空中的光子可以使OAM矢量指向侧面，与传播方向成90度角——这一结果实际上与数十年来的期望正交矛盾，即OAM向量只能指向前方或后方。

  STOV有许多潜在的应用。例如，空翻光子所体现的AM守恒可以使STOV光束能够抵抗大气湍流的破坏，并有可能应用于自由空间光通信。此外，由于STOV光子必须发生在光脉冲中，因此，这种脉冲可以用来动态激发各种材料，或以利用OAM和甜甜圈孔的方式探测它们。

  “STOV脉冲可以在非线性光学中发挥重要作用，” Milchberg说，“光束可以控制其传播的材料，从而在光束聚焦、控制和开关方面实现新的应用。”

  Sina Zahedpour，他们通过产生一个甜甜圈脉冲来实现这一目标，他们称之为“边缘优先飞行甜甜圈”（更专业的名称是时空光学涡旋，简称STOV）。在这里，甜甜圈孔是面向侧面的，因为旋转循环现在发生在环的周围，AM向量指向包含环的平面成直角。为了证明这种侧向指向的OAM与单个光子有关，而不仅仅与飞行甜甜圈的整体形状有关，研究小组通过一种非线性晶体发送脉冲，进行一种称为二次谐波产生的过程，在这种过程中，两个红色光子被转换成一个频率为两倍的蓝色光子。这使得光子的数量减少了2倍，这意味着每个蓝色光子应该有两倍的侧向指向OAM，这正是团队的测量结果。飞行甜甜圈或STOV的调幅是一大群光子同步翻转的综合效应。

  STOV有许多潜在的应用。例如，空翻光子所体现的AM守恒可以使STOV光束能够抵抗大气湍流的破坏，并有可能应用于自由空间光通信。此外，由于STOV光子必须发生在光脉冲中，因此，这种脉冲可以用来动态激发各种材料，或以利用OAM和甜甜圈孔的方式探测它们。

“STOV脉冲可以在非线性光学中发挥重要作用，” Milchberg说，“光束可以控制其传播的材料，从而在光束聚焦、控制和开关方面实现新的应用。”