科学家发现光在自由空间传播时无需借助透镜就能自行产生自旋结构，这一由拓扑学主导的几何特性将革新医疗与通信技术。
长期以来，人们普遍认为光线总是沿着直线传播。如果想要改变光的旋转方式或扭曲形态，通常需要依赖精密设计的特殊透镜、镜片或复杂材料。然而，来自英国东英吉利大学和南非威特沃特斯兰德大学的国际研究团队发现，精心准备的光束在穿越空白空间时，无需借助任何外部光学器件，就能依靠自身的内部几何结构自发产生旋转图案。
这种现象与手性密切相关。在自然界中，手性用来描述左手和右手这种互为镜像却无法完全重合的结构。许多药物分子也具有手性，两种结构几乎相同的分子在人体内可能产生截然不同的效果。为了区分这些分子，科学家需要利用具有特定旋转行为的光。传统方法制作这种光极为繁琐，但新研究证明，只要对光束进行适当的初始配置，光就能在传播过程中自然展现出这种手性行为。
光在传播时可以表现出多种旋转形态，例如像螺丝钉一样扭曲前进的光漩涡，以及由电场振荡决定的偏振自旋。此前，学术界普遍认为这两者之间的相互作用极其微弱，难以在常规条件下观测。研究团队发现，当光束初始设定为没有自旋的平衡状态时，随着它向前传播，光束内部会自动萌生并分离出具有左旋和右旋特征的区域。实验参与者Light Mkhumbuza形容，这就像是自旋原本隐藏在光束内部，随后在传播中自我显现出来。
为了解释这种奇特现象，研究人员引入了拓扑学的概念。威特沃特斯兰德大学的Isaac Nape用马克杯和甜甜圈的比喻来解释拓扑学，两者虽然形状不同，但都各有一个孔洞，因此可以通过连续变形相互转化。光束同样拥有由偏振排列决定的拓扑特征，这种特征就像印在光束上的数学指纹。即便光束在传播中改变形状，其拓扑结构依然存在，并决定了左旋和右旋区域出现的位置。来自东英吉利大学化学、药学与药理学院的Kayn Forbes指出，通过调节光的拓扑结构，科学家获得了调控光特性的新开关。
这一发现为未来的实际应用开辟了广阔前景。在医疗诊断与药物开发领域，结构化光能够以更高的灵敏度识别手性分子，帮助评估药物安全性并检测疾病生物标记物。在通信领域，将信息编码到不同的扭曲和自旋图案中，可以大幅提升单条光束的数据传输容量，为更快、更安全的光通信及量子网络奠定基础。由于该方法无需依赖易损的精密材料，实际应用成本将更低，可靠性也更高。光束展现出的丰富几何特性，正不断刷新人们对这一日常现象的认知。
原文：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/10/261011211615.htm