I ricercatori dell'IMS e i loro collaboratori hanno dimostrato teoricamente e sperimentalmente che un elettrone ad alta energia in movimento circolare/spirale irradia fotoni vortice dalla lunghezza d'onda radio ai raggi gamma. Ciò amplia notevolmente gli spettri di applicazione dei fotoni vortice nel campo della scienza fisica. Inoltre, la scoperta indica che i fotoni dei vortici sono onnipresenti nell'universo. Apre la strada a un campo di ricerca completamente nuovo:la scienza dei fotoni a vortice naturale.

La luce è talvolta chiamata onda elettromagnetica, in cui oscillano campi elettrici e magnetici e le oscillazioni si propagano nello spazio. Normalmente, la luce ha un fronte d'onda piano. In contrasto, un vortice ottico possiede un fronte d'onda elicoidale e trasporta momento angolare orbitale. L'esistenza di tali fotoni particolari è stata prevista teoricamente circa 25 anni fa. Oggi, tali fotoni possono essere facilmente prodotti in laboratorio utilizzando speciali dispositivi ottici, sebbene le lunghezze d'onda siano limitate in prossimità della luce visibile. I ricercatori stanno esplorando le loro applicazioni nella nanotecnologia, tecnologie dell'immagine e dell'informazione/comunicazione. D'altra parte, non è stato trovato un processo elementare naturale in grado di produrre fotoni di vortice, sebbene ci siano alcune proposte teoriche secondo cui i fotoni normali possono essere convertiti in fotoni di vortice in un forte campo gravitazionale attorno a un buco nero rotante o mentre passano attraverso mezzi interstellari disomogenei.

Circa 10 anni fa, i ricercatori hanno teoricamente previsto che un ondulatore, un dispositivo ampiamente utilizzato nelle moderne sorgenti di luce di sincrotrone, potrebbe essere in grado di produrre fotoni vortice nella gamma dei raggi X. Ciò è stato confermato sperimentalmente diversi anni dopo in un sincrotrone tedesco. Però, la maggior parte delle caratteristiche significative della generazione di vortici ottici è rimasta non verificata. I ricercatori dell'IMS e i loro colleghi hanno studiato teoricamente questo processo e hanno dimostrato che un elettrone in movimento circolare oa spirale irradia fotoni di vortice. Questo processo è alla base di vari importanti processi di radiazione in astrofisica e fisica del plasma, come la radiazione di ciclotrone, radiazione di sincrotrone e diffusione Compton, ed è stato descritto in molti libri di testo o documenti di ricerca. Però, non c'è stata alcuna discussione sulla natura vorticosa di questa radiazione. La lunghezza d'onda di questa radiazione si estende dalle onde radio ai raggi gamma, a seconda della condizione fisica. Questa nuova scoperta indica che i fotoni di vortice sono prodotti in varie situazioni nell'universo, nell'intera gamma di lunghezze d'onda.

Per di più, i ricercatori dell'IMS e i loro collaboratori sono riusciti in una precisa osservazione sperimentale della radiazione ondulatoria da una sorgente di luce di sincrotrone, UVSOR-III, per la prima volta (figura). Hanno osservato la luce UV emessa da un fascio di elettroni in movimento a spirale, e ha indicato che esiste una struttura speciale chiamata singolarità di fase al centro del fascio di fotoni dall'ondulatore. Inoltre, è stato dimostrato che i fotoni di energia più elevata trasportano momenti angolari più grandi. Queste misurazioni supportano sicuramente la previsione teorica.

Il professor Masahiro Katoh (IMS) afferma:"I fotoni di vortice dovrebbero essere onnipresenti nell'universo. Che tipo di ruolo svolgono in natura? Il nostro risultato apre un campo di ricerca completamente nuovo".

La ricerca è pubblicata su Rapporti scientifici .