Les objets en rotation ou en rotation sont monnaie courante, des hauts de jouets, remuer les filateurs, et patineurs artistiques à l'eau encerclant un drain, tornades, et les ouragans.

En physique, il existe deux types de mouvement de rotation :le spin et l'orbital. Le mouvement de la Terre dans notre système solaire les illustre; la rotation quotidienne de 360 ​​degrés de la Terre autour de son propre axe est une rotation de rotation, tandis que le voyage annuel de la Terre autour du soleil est une rotation orbitale.

La quantité en physique définie pour décrire un tel mouvement est le moment angulaire (AM). AM est une quantité conservée :étant donné une quantité initiale de celle-ci, il peut être décomposé et redistribué entre les particules telles que les atomes et les photons, mais le AM ​​total doit rester le même. AM est aussi un vecteur :c'est une quantité qui a une direction, et cette direction est perpendiculaire au plan dans lequel se produit la circulation rotationnelle.

Pour les particules de lumière dans les faisceaux laser, les photons, ces deux types de MA sont présents. Les photons ont un spin, mais ne tournent pas sur leurs propres axes ; au lieu, le moment angulaire de spin (SAM) provient de la rotation du champ électrique du photon, et SAM ne peut pointer que vers l'avant ou vers l'arrière par rapport à la direction du faisceau.

Les photons dans les faisceaux laser peuvent également avoir un moment angulaire orbital (OAM). Le faisceau laser le plus simple dans lequel les photons ont OAM est le faisceau de donut :si vous faites briller un tel faisceau sur le mur, il ressemblera à un beignet brillant ou à un anneau avec un centre sombre. Le vecteur OAM pointe également vers l'avant ou vers l'arrière, et l'OAM est le même pour chaque photon du faisceau.

Dans un article publié dans la revue Optique , Le professeur Howard Milchberg de l'Université du Maryland et son groupe de recherche démontrent le résultat surprenant que les photons dans le vide peuvent avoir des vecteurs OAM pointés latéralement, à 90 degrés par rapport à la direction de propagation - un résultat littéralement orthogonal à l'attente de plusieurs décennies selon laquelle les vecteurs OAM ne pourraient pointer que vers l'avant ou vers l'arrière.

L'équipe de recherche, qui, en plus de Milchberg, comprend l'étudiant diplômé et auteur principal Scott Hancock et la chercheuse postdoctorale Sina Zahedpour, l'ont fait en générant une impulsion de beignet, ils ont surnommé un "beignet volant à bord en premier" (son nom plus technique est vortex optique spatio-temporel, ou STOV). Ici, le trou du beignet est orienté latéralement, et parce que la circulation rotationnelle se produit maintenant autour de l'anneau, le vecteur AM pointe perpendiculairement au plan contenant l'anneau. Pour prouver que cet OAM pointant sur le côté est associé à des photons individuels et pas seulement à la forme générale du beignet volant, l'équipe a envoyé l'impulsion à travers un cristal non linéaire pour subir un processus appelé génération de deuxième harmonique, où deux photons rouges sont convertis en un seul photon bleu avec une fréquence double. Cela réduit le nombre de photons d'un facteur 2, ce qui signifie que chaque photon bleu devrait avoir deux fois l'OAM pointant latéralement, ce qui est exactement ce que les mesures de l'équipe ont montré. L'AM du beignet volant ou STOV est l'effet composite d'un essaim de photons faisant des sauts périlleux en synchronisme.

Il existe de nombreuses applications potentielles des STOV. Par exemple, la conservation AM incarnée par les photons culbutants peut rendre les faisceaux STOV résistants à la rupture par la turbulence atmosphérique, avec une application potentielle aux communications optiques en espace libre. En outre, parce que les photons STOV doivent se produire dans des impulsions lumineuses, de telles impulsions pourraient être utilisées pour exciter dynamiquement une large gamme de matériaux ou pour les sonder de manière à exploiter l'OAM et le trou de l'anneau.

"Les impulsions STOV pourraient jouer un grand rôle dans l'optique non linéaire, " dit Milchberg, "où les faisceaux peuvent contrôler le matériau dans lequel ils se propagent, permettant de nouvelles applications dans la focalisation du faisceau, pilotage, et la commutation."