2026年5月12日——威特沃特斯兰德大学和东英吉利大学的科学家们发现了一种光的隐藏特性，这种特性使其能够扭曲、旋转并以不同方式表现——无需镜子、材料或特殊透镜。

在一项可能改变医学检测、数据传输和未来量子技术的突破中，来自英国和南非的研究人员表明，仅通过利用光自身的几何结构，就可以对其进行“编程”。

这项发表在《光：科学与应用》上的发现，颠覆了数十年的科学认知，揭示了光在自由空间传播时可以发展出手性行为——即它可以表现得像左手或右手。

该团队表示，这最终可能引领一个世界，在这个世界里，光可以携带信息、探测生物、操控物质并保护量子信号。

为何“有手性”的光至关重要

手性，或称“左右手性”，是科学中的一个关键概念。许多分子，包括药物中使用的分子，都有左手和右手两种形式，它们看起来几乎相同，但在人体内表现可能截然不同。

为了区分它们，科学家们经常使用顺时针或逆时针旋转的特殊形式的光。直到现在，创造和控制这种光都需要精心设计的表面、特殊的材料或使用强力透镜进行极端聚焦。

但这项新研究表明，这一切都不是必需的。

“我们的工作表明，光可以自然地自行发展出这种手性行为，”UEA化学、药学与药理学学院的Kayn Forbes博士说。

“你只需要以正确的方式准备它。”

像开瓶器一样扭曲的光

大多数人认为光是沿直线传播的。但科学家们也可以创造结构化光——其亮度、形状和方向经过精心安排的光。

“一个极端的例子是光在传播时发生扭曲，形成一种被称为光学涡旋的开瓶器形状。每次扭曲都可以携带信息，这使得这种光对高速互联网、安全通信和先进传感器非常有价值，”Forbes说。

“光在传播时也可以旋转，这取决于它如何被偏振。这种旋转可以是左旋或右旋——这是手性的另一种形式。”

最终揭示的隐藏特征

直到现在，光的自旋和扭曲之间的相互作用被认为极其微弱——微弱到只能在特殊条件下才能被探测到。

但该团队发现，如果光被准备在一个精心平衡的状态下，它的自旋可以在穿过真空空间时自然出现。

“它开始时完全没有自旋，”来自威特沃特斯兰德大学物理学院的硕士生Light Mkhumbuza说，他进行了关键的实验。“但随着光束向前传播，旋转区域出现并分离——几乎就像自旋原本隐藏着，然后自我显现出来。”

这个过程不需要镜子或特殊材料。仅仅是光在自由传播。

光的“拓扑指纹”

据威特沃特斯兰德大学物理学院的Isaac Nape博士介绍，发生这种情况的原因在于拓扑学——一个专注于即使物体被拉伸或重塑也保持不变的属性的数学分支。

“为了解释它，想象一个杯子和一个甜甜圈，”他说。“你可以将一个变成另一个而无需撕裂它，因为它们都有一个洞。那个洞就是一个拓扑特征。”

光有它自己版本的这种“孔洞计数”——一个隐藏的拓扑指纹，埋藏在它偏振的排列方式中。这个指纹不会随着光的传播而消失。相反，它悄无声息地引导着光束的演化。

随着光向前移动，隐藏的结构迫使旋转行为显现出来——这为科学家提供了一种仅利用几何学来控制光的新强大方法。

“这给了我们一个全新的光调谐旋钮。通过调整其拓扑结构，我们可以决定手性出现的方式和位置，”Nape说。

广泛的影响

“这项工作可以带来更简单、更灵敏的医学检测，尤其是在药物开发方面，”Forbes说。“它还可以用于将更多信息打包到激光束中——提高通信（包括未来量子网络）的数据容量。”

由于该效应不依赖于脆弱的材料或精密设计的表面，因此在现实世界技术中使用起来可能更简单、更便宜。

“这项研究可以通过证明光的行为可以利用其自身内部几何结构进行控制，为新一代基于光的技术奠定基础。”

关键的未来应用：

• 更简单的医学和制药检测，使用特殊结构光来区分对药物安全和疾病检测至关重要的左手和右手分子
• 紧凑型光学传感器，能够快速、廉价地识别生物和化学物质，无需实验室级设备
• 更强大的通信技术，将信息打包到光的多个扭曲和旋转状态中，以提高数据容量和安全性
• 先进的生物学和纳米技术工具，允许仅使用光来移动和旋转微小粒子、细胞或分子
• 更稳健的量子技术，拓扑结构有助于保护脆弱的量子信息免受噪声和干扰

一场众目睽睽下的悄然革命

研究人员表示，他们的工作挑战了长期以来关于光自身能做什么和不能做什么的假设。

“对于如此熟悉的事物，光正被证明比任何人想象的都要丰富得多、奇异得多、强大得多，”Forbes说。“这种新行为一直存在——只是等待着被发现。”