Oggetti rotanti o rotanti sono all'ordine del giorno, dalle cime dei giocattoli, filatori di fidget, e pattinatori artistici all'acqua che circonda un canale di scolo, tornado, e uragani.

In fisica, ci sono due tipi di moto rotatorio:spin e orbitale. Il movimento della Terra nel nostro sistema solare lo illustra; la rotazione giornaliera di 360 gradi della Terra attorno al proprio asse è rotazione di spin, mentre il viaggio annuale della Terra intorno al sole è la rotazione orbitale.

La quantità in fisica definita per descrivere tale moto è il momento angolare (AM). AM è una quantità conservata:data una quantità iniziale di essa, può essere scomposto e ridistribuito tra particelle come atomi e fotoni, ma l'AM totale deve rimanere lo stesso. Anche AM è un vettore:è una quantità che ha una direzione, e questa direzione è perpendicolare al piano in cui avviene la circolazione rotazionale.

Per le particelle di luce nei raggi laser, i fotoni, sono presenti questi due tipi di AM. I fotoni hanno rotazione, ma non ruotano sui propri assi; Invece, il momento angolare di spin (SAM) deriva dalla rotazione del campo elettrico del fotone, e SAM può puntare solo in avanti o indietro rispetto alla direzione del raggio.

I fotoni nei raggi laser possono anche avere momento angolare orbitale (OAM). Il raggio laser più semplice in cui i fotoni hanno OAM è il raggio a ciambella:se fai brillare un raggio simile sul muro, sembrerà una ciambella o un anello luminoso con un centro scuro. Il vettore OAM punta anche in avanti o indietro, e l'OAM è lo stesso per ogni fotone nel raggio.

In un articolo pubblicato sulla rivista ottica , Il professor Howard Milchberg dell'Università del Maryland e il gruppo di ricerca dimostrano il sorprendente risultato che i fotoni nel vuoto possono avere vettori OAM rivolti lateralmente, a 90 gradi rispetto alla direzione di propagazione, un risultato letteralmente ortogonale all'aspettativa decennale che i vettori OAM potessero puntare solo in avanti o indietro.

Il gruppo di ricerca, che oltre a Milchberg include lo studente laureato e autore principale Scott Hancock e la ricercatrice post-dottorato Sina Zahedpour, lo hanno fatto generando un impulso a ciambella che chiamano "ciambella volante in prima linea" (il suo nome più tecnico è vortice ottico spazio-temporale, o STOV). Qui, il foro della ciambella è orientato lateralmente, e poiché la circolazione rotazionale ora avviene attorno all'anello, il vettore AM punta perpendicolarmente al piano contenente l'anello. Per dimostrare che questo OAM che punta lateralmente è associato a singoli fotoni e non solo alla forma complessiva della ciambella volante, il team ha inviato l'impulso attraverso un cristallo non lineare per subire un processo chiamato generazione della seconda armonica, dove due fotoni rossi vengono convertiti in un singolo fotone blu con frequenza doppia. Questo riduce il numero di fotoni di un fattore 2, il che significa che ogni fotone blu dovrebbe avere il doppio dell'OAM che punta lateralmente, che è esattamente ciò che hanno mostrato le misurazioni del team. L'AM della ciambella volante o STOV è l'effetto composito di uno sciame di fotoni che fa un salto mortale a passo d'uomo.

Ci sono numerose potenziali applicazioni degli STOV. Per esempio, la conservazione AM incarnata dai fotoni saltellanti può rendere i fasci STOV resistenti alla rottura per turbolenza atmosferica, con potenziale applicazione alle comunicazioni ottiche nello spazio libero. Inoltre, perché i fotoni STOV devono verificarsi in impulsi di luce, tali impulsi potrebbero essere utilizzati per eccitare dinamicamente un'ampia gamma di materiali o per sondarli in modi che sfruttano l'OAM e il foro della ciambella.

"Gli impulsi STOV potrebbero svolgere un ruolo importante nell'ottica non lineare, "dice Milchberg, "dove i fasci possono controllare il materiale in cui si propagano, consentendo nuove applicazioni nella messa a fuoco del fascio, timone, e cambio".