Les chercheurs de l'IMS et leurs collègues ont montré théoriquement et expérimentalement qu'un électron de haute énergie en mouvement circulaire/spirale émet des photons de vortex de la longueur d'onde radio aux rayons gamma. Cela élargit considérablement les spectres d'application des photons vortex dans le domaine des sciences physiques. De plus, la découverte indique que les photons vortex sont omniprésents dans l'univers. Il ouvre la voie à un tout nouveau domaine de recherche :la science des photons des vortex naturels.

La lumière est parfois appelée onde électromagnétique, dans lequel les champs électriques et magnétiques oscillent et les oscillations se propagent dans l'espace. Normalement, la lumière a un front d'onde plan. En revanche, un vortex optique possède un front d'onde hélicoïdal et transporte un moment angulaire orbital. L'existence de ces photons particuliers a été théoriquement prédite il y a environ 25 ans. Aujourd'hui, de tels photons peuvent être facilement produits dans les laboratoires en utilisant des dispositifs optiques spéciaux, bien que les longueurs d'onde soient limitées au voisinage de la lumière visible. Les chercheurs explorent leurs applications en nanotechnologie, technologies de l'imagerie et de l'information/communication. D'autre part, un processus élémentaire naturel capable de produire des photons vortex n'a pas été trouvé, bien qu'il existe quelques propositions théoriques selon lesquelles les photons normaux peuvent être convertis en photons vortex dans un fort champ gravitationnel autour d'un trou noir en rotation ou en passant à travers des milieux interstellaires non homogènes.

Il y a environ 10 ans, les chercheurs ont théoriquement prédit qu'un onduleur, un dispositif largement utilisé dans les sources lumineuses synchrotron modernes, pourrait être capable de produire des photons vortex dans la gamme des rayons X. Ceci a été confirmé expérimentalement plusieurs années plus tard dans un synchrotron allemand. Cependant, une majorité de caractéristiques importantes de la génération de vortex optique est restée non vérifiée. Les chercheurs de l'IMS et leurs collègues ont étudié théoriquement ce processus et ont montré qu'un électron en mouvement circulaire ou en spirale émet des photons de vortex. Ce processus est à la base de divers processus de rayonnement importants en astrophysique et en physique des plasmas, comme le rayonnement cyclotron, rayonnement synchrotron et diffusion Compton, et a été décrit dans de nombreux manuels ou articles de recherche. Cependant, il n'y a pas eu de discussion sur la nature tourbillonnaire de ce rayonnement. La longueur d'onde de ce rayonnement s'étend des ondes radio aux rayons gamma, selon la condition physique. Cette nouvelle découverte indique que les photons de vortex sont produits dans diverses situations dans l'univers, dans toute la gamme de longueurs d'onde.

Par ailleurs, les chercheurs de l'IMS et leurs collaborateurs ont réussi une observation expérimentale précise du rayonnement de l'onduleur d'une source lumineuse synchrotron, UVSOR-III, pour la première fois (figure). Ils ont observé la lumière UV émise par un faisceau d'électrons en mouvement en spirale, et a indiqué qu'une structure spéciale appelée singularité de phase existe au centre du faisceau de photons provenant de l'onduleur. De plus, Il a été démontré que les photons de plus haute énergie transportent des moments angulaires plus importants. Ces mesures appuient définitivement la prédiction théorique.

Le professeur Masahiro Katoh (IMS) déclare :"Les photons vortex devraient être omniprésents dans l'univers. Quel genre de rôle jouent-ils dans la nature ? Notre réalisation ouvre un champ de recherche totalement nouveau."

La recherche est publiée dans Rapports scientifiques .