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2025-10-10 0
哈佛突破光传播技术！精密制造成本砍半，中美科技企业抢新赛道
今日快讯
2025年10月10日 22:12 0
admin
捡过鹦鹉螺化石的人大概都注意过，它的壳瓣不是随意卷曲的，而是一圈圈精准的螺旋，每道纹路都像照着尺子画出来。
看向向日葵花盘，种子密密麻麻挤在一起，却沿着隐形的螺旋线排列得整整齐齐，这些自然里的“数学美学”，总让人觉得是大自然独有的巧思。
可你有没有想过，人类居然能让光也踩着同样的螺旋舞步传播？
哈佛团队新发现的“光学旋转体”，不仅打破了我们从小认定的“光沿直线传播”常识，更让光成了复刻自然规律的“艺术家”。
这种会“拧麻花”的光到底是怎么来的？它除了好看，还能帮我们做些什么？
一、自然密码与光的“叛逆”
“光沿直线传播”这事，我们从小就在课本里学，影子的形成、小孔成像，甚至白天晒太阳时地面的光斑，都在印证这个规律。
但随着光学研究越走越深，科学家慢慢发现，光其实比我们想的“叛逆”多了，它能像从手中抛出的小球一样，带着弧度弯着走，这种特殊的光束有个名字叫艾里光束；也能走“S”形的蛇形步，甚至像弹簧那样绕着圈传播。
最有意思的是，这些“不走寻常路”的光，都没依赖什么特殊的镜片或介质，就是在普通的自由空间里传播。
说白了，就是光学专家给光束的初始参数做了点“微调”，比如加了特定的幅度或相位信息，它就像收到指令似的，乖乖按设计好的路线走了。
这类被“定制”过的光束，有个统一的名字叫“结构光束”。
在所有结构光束里，“涡旋光束”算是最特别的一种。
其实涡旋现象在生活里很常见：早上搅拌咖啡，液面会立刻形成小涡旋，把漂浮的糖粒卷到杯底；拔掉浴缸塞子，水流也不会直直往下漏，而是绕着排水口转着圈形成涡旋。
科学家早早就关注到了这种现象，后来发现不仅宏观世界里的水、云、气旋有涡旋，连超流体、超导体这些微观系统里，涡旋也是波的一种固有形态。
直到1989年，法国科学家皮埃尔·库莱提出了“光学涡旋”的概念，他认为存在一种光场，能像流体涡旋那样，形成螺旋状的光束。
后来人们真的观测到了这种光束：它传播时不仅会整体扭曲，不同区域的旋转速率还不一样，看起来就像龙卷风里的气流在打转；但和水流涡旋不同，它的“旋转”藏在光的相位里，当光波往前跑的时候，它的波前不是平的，而是像旋转楼梯那样一圈圈螺旋上升，也正是这个特殊结构，让光束带上了“轨道角动量”，就像地球绕着太阳转时拥有的那种旋转能量。
二、从“原地转”到“螺旋舞”：光学旋转体的突破
虽然光学涡旋早就被发现，但它有个小局限：传播的时候，轨道角动量是固定不变的，就像芭蕾舞者在原地旋转，不管转得多快，都离不开脚下那片地方。
这种“原地打转”的特性，让它的应用范围受到了不少限制。
直到2025年4月，哈佛团队在《科学进展》期刊上发表了一项新成果，他们造出了“光学旋转体”，这下才算让光真正跳出了“螺旋舞”。
这种新光束最大的不同，就是轨道角动量会随着传播不断变化，光场的空间扭矩也跟着动态调整。
打个比方，传统光学涡旋就像小朋友玩的陀螺，只会在原地高速旋转；而光学旋转体更像杂技演员，一边自转，一边沿着螺旋轨道稳步前进，最终形成的路径，正是我们在鹦鹉螺壳、飓风云系里看到的“对数螺旋”。
更妙的是，这种螺旋还和斐波那契数列扯上了关系。
如果你把斐波那契数列里相邻两个数的比值画成矩形，再把这些矩形的对角线连起来，会发现画出的曲线会不断逼近对数螺旋，而光学旋转体的传播轨迹，就像是这条曲线的“光版本”。
不管是菠萝表面的纹理，还是玫瑰花瓣的排列，其实都藏着同样的螺旋规律，现在连光都能踩着这个节奏传播，不得不说，自然规律的通用性真的很神奇。
很多人可能会好奇，这么特别的光束是怎么造出来的？哈佛团队用了一种叫“超表面技术”的方法，这种光学元件特别薄，厚度只有纳米级，表面刻着密密麻麻的微小结构，这些小结构能精准控制光的相位、振幅和偏振。
他们还巧妙利用了日常可见的液晶显示器，就像我们手机、电脑屏幕通过电信号调整液晶分子排列来显示画面一样，团队给液晶单元编了特殊程序，让它能生成复杂的相位图案，把普通光转换成能跳螺旋舞的光学旋转体。
以前想改变光的扭矩，得用高强度激光和一大堆庞大的实验室设备，不仅成本高，操作起来也麻烦；现在有了这个新方法，一个普通的液晶显示器加低强度光束就够了，技术门槛一下降了很多，也让这种特殊光束更容易走进实际应用。
三、不止于“美”：螺旋光束的未来想象
可能有人会觉得，这种会跳螺旋舞的光，顶多就是“好看”而已，但其实它的价值远不止于此。
它最核心的优势，是能通过动态变化的轨道角动量，产生一种特殊的“扭矩力”，这种力能精准控制特别小的物体，比如悬浮液里的胶体颗粒。
未来在生物实验室里，科学家或许能用它来操控单个细胞或线粒体：不用接触，只要让光束围着这些微小结构转，就能带动它们移动或旋转，大大降低实验过程中对细胞的损伤风险，这对精准研究细胞功能会很有帮助。
在精密制造领域，它也能派上大用场。
比如制作微型芯片的时候，传统的机械加工很容易在芯片表面留下微小划痕，影响芯片性能；但用光学旋转体的“光控技术”，就能通过调整光束的螺旋轨迹，像用精细的画笔一样，在芯片上雕刻纳米级的结构，既能保证精度，又不会损伤材料，让芯片更耐用、性能更强。
甚至在量子通信领域，它也有潜力，动态变化的轨道角动量就像一本不断变换的“密码本”，可以给传输的信息加密。
因为这种变化规律很难被破解，所以能大大提升通信的安全性，避免信息被窃取。
从鹦鹉螺壳的自然螺旋，到实验室里的光学旋转体，哈佛团队的发现不仅让我们重新认识了光的传播方式，更让我们看到了“自然规律”与“人类科技”的完美共鸣，那些藏在自然界里的数学密码，不是只能远观的风景，只要找对方法，就能被我们拿来所用，变成改变生活的实用技术。
或许未来某一天，当我们在医院接受精准的光控治疗，或是用更安全的量子通信传递信息时，都会想起这束会跳螺旋舞的光，想起它背后那片跨越自然与科学的奇妙联结。
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