科学家首次利用偏振光创造莫比乌斯带

凤凰科技讯 北京时间2月2日消息，据科学日报报道，加拿大、欧洲和美国的研究合作通过光偏振实验性的产生了莫比乌斯带（一种单侧、不可定向的曲面），这证实了光的电磁场可以呈现这一奇特形状的理论预测。莫比乌斯带很容易创造，利用一条纸带，扭转一次然后将两端结合，这样你就创造了一个莫比乌斯带：一种只有一边的三维结构。每年上百万名学生都会在学校进行这个动手操作。然而，发现自然产生的莫比乌斯带则另当别论。

莫比乌斯带是一种单侧、不可定向的曲面

“这是自然界里出现的莫比乌斯结构的罕见例子之一。”美国罗切斯特大学光学和物理学教授、加拿大渥太华大学量子非线性光学加拿大卓越研究主席罗伯特•W•博伊德（Robert W. Boyd）这样说道。他是这篇发表在期刊《科学》上的文章的高级作者之一。展示光偏振状态可以创造莫比乌斯带是非常有趣的，它不仅可以提高对光学偏振的基本理解，也能够被用于产生微观和纳米程度上的复杂结构。

光是一种电磁波，因此它有一个电磁场，其中电场的振荡方向被称为光的偏振方向。偏振是理解减少眩光的偏光太阳镜和3D电影院的关键。太阳光的偏振一般是随机的，这意味着电场的方向因光线不同而有所差异。但是当光从任何物体表面——例如水、玻璃或者高速公路表面——反射回来，反射光在特定方向极化，平行于光反射的表面。偏振太阳镜能够阻挡这个方向的偏振光，从而极大的减少眩光，但同时让其它光进入。

在实验里，为了产生莫比乌斯带，研究人员使用了一种特定奇特类型的光：一种高度集中的光束，常被称为结构光。结构光是光束里具有特定偏振和密度分布——因此光束不同部分的电磁场振荡是各不相同的。光线移动的方向并非总是位于正确的角度，即使标准激光也如此。在这样高度结构化的光束里，电场在三维方向将均有分布。此外，光束的不同部分将在不同方向拥有不同电场。

为了对偏振进行成像，研究人员使用了纳米粒子。研究人员对光束横截面上的纳米粒子进行扫描，然后观察它散射的光。通过确定光是如何散射的，并有效的将其作为干涉仪，就能检测到焦点的光束偏振，莫比乌斯带就会出现。这个程序是由德国巴伐利亚州埃尔兰根纽伦堡大学教授格尔德•勒克斯(Gerd Leuchs)和皮特•班泽尔（Peter Banzer）发明的。

莫比乌斯带展示了环绕激光束轴线的圆形通道上每个位置的电场方向。取决于激光束结构的细节的不同，研究人员观察到莫比乌斯带的偏振呈现出3/2或者5/2的扭转。这些莫比乌斯带演示了光束在非常小的亚波长距离范围内所蕴含的丰富结构，博伊德解释道。他还补充表示，除此之外，这项研究所使用的测量方法在探测其它光束类型的纳米结构方面蕴含了巨大潜力。（编译/严炎刘星）