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据科学日报（ScienceDaily）2026年10月13日报道，由英国东英吉利大学（UEA）领导、南非科学家参与的国际团队发现，光在真空中传播时能自发产生旋转和扭曲行为，无需特殊透镜、镜子或人工材料。这项研究以《拓扑控制结构光的手性与自旋》为题发表在《光：科学与应用》期刊上，颠覆了光学界长期以来的基本假设。研究团队通过实验证明，适当制备的光束能凭借自身内部几何结构，在传播过程中自然演化出左旋和右旋的图案，为通信、医学检测和量子技术开辟了全新的操控途径。
明星姐妹手性：左右手之谜为何如此重要
手性是自然界中一种普遍存在的对称性破缺现象，描述的是左手与右手结构之间的本质差异。正如人的双手虽然互为镜像却无法完全重合，许多分子也具有类似特性，尤其是药物化合物。据研究团队介绍，两种手性相反的同一分子，化学结构几乎完全相同，但在人体内可能产生截然不同的药理作用。
明星闺蜜科学家长期以来依靠测量分子与特定旋转光的相互作用来区分这些手性形态。传统方法需要专门设计的超表面材料、精密加工的表面或能极紧聚焦光束的强透镜。然而，根据东英吉利大学化学、药学与药理学学院的Kayn Forbes博士的说法，这项新发现完全绕过了这些复杂元件。
明星好友光的隐藏自旋：从零到一的自发涌现
光可以表现出多种旋转行为。光学涡旋是一种波前围绕传播方向扭转的结构，形似开瓶器；而偏振则描述了光电场振荡的方向，特定偏振图案会产生被称为自旋的旋转特性。
明星前任物理学家长久以来研究这两种性质的关系，但此前认为引发新效应的相互作用极其微弱，难以在常规条件下观测。据科学日报报道，研究团队发现，当光束被制备成某种特定平衡构型时，初始完全无自旋的光束在自由空间传播过程中，会逐渐分离出截然不同的自旋区域。
明星初恋参与关键实验的硕士生Light Mkhumbuza向科学日报描述道：“光束开始时完全没有自旋，但随着传播，旋转区域出现并分离——就好像自旋一直隐藏着，然后自己显现了出来。”
拓扑学：咖啡杯与甜甜圈的启示
为了解释这一反常现象，研究团队求助于拓扑学——研究物体在连续拉伸、弯曲或重塑过程中保持不变性质的数学分支。南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的Isaac Nape博士用一个比喻来说明：“想象一个咖啡杯和一个甜甜圈。你可以不撕裂地把一个变成另一个，因为它们都有一个洞。那个洞就是拓扑特征。”
在结构光中，研究团队发现其偏振排列编码着独特的拓扑特征。这种内在图案如同数学指纹，即使光束在传播中改变形状，其拓扑结构依然稳定，持续影响光束不同区域的演化。正是这种拓扑结构决定了光的左旋和右旋图案在何处显现。正如Nape博士所说：“这给了我们一个全新的调节旋钮。通过调整拓扑结构，我们可以决定手性如何出现、在哪里出现。”
| 研究方向 | 传统方法 | 新发现方法 |
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| 产生手性光 | 特殊透镜、超表面、精密材料 | 光束内部几何结构自然产生 |
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| 控制旋转 | 外部光学元件 | 设计光束初始拓扑结构 |
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| 成本与复杂度 | 高成本、精密制造 | 无需额外材料，更简易廉价 |
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| 潜在应用 | 受限于设备 | 医学检测、通信、量子技术 |
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医学与通信领域的突破前景
这项发现可能使多种关键光学技术变得更简单、更经济、更通用。在医学诊断和药物研发领域，由于许多生物分子的左手性和右手性形态具有不同的生理效应，精心设计的结构光可以帮助科学家以更高灵敏度识别这些差异，有望用于评估药物安全性、检测疾病生物标志物。
光镊技术也可能受益，新型光束能够更精准地操控微小颗粒、细胞和分子。在通信技术方面，研究人员可能利用不同的扭转和自旋模式在单束光中编码更多信息，从而提升光纤通信速率、增强信息安全。拓扑特性本身还可能增强量子系统抵御噪声和干扰的能力，为未来量子网络奠定基础。据团队透露，由于效应不依赖脆弱的材料或精密表面，实际应用成本将大幅降低。
研究源与验证
该研究由东英吉利大学主导，南非威特沃特斯兰德大学参与。据科学日报提供的资料，研究论文《拓扑控制结构光的手性与自旋》由Light Mkhumbuza、Pedro Ornelas、Angela Dudley、Isaac Nape和Kayn A. Forbes共同撰写，刊登于2026年《光：科学与应用》期刊，DOI编号为10.1038/s41377-026-02278-6。
物理学界普遍认为，光是最被充分研究的物理对象之一，但这次发现提醒人们，即使是熟悉的事物仍可能隐藏着深刻的未知。Dr. Forbes对科学日报表示：“对如此熟悉的光来说，它被证明远比任何人想象的更丰富、更奇特、更强大。令人惊讶的是，这种新行为一直存在——只是等待被发现。”
常见问题解答
Q1: 光的这种新特性对普通人有何实际影响？
A1: 这项发现短期内是基础科学突破，但长期可能带来更便宜的医学检测设备、更快的互联网通信以及更安全的量子加密技术。例如药物研发中，医生能更准确地辨别手性分子，降低药物副作用风险。
Q2: 这种无需外部元件的自旋光如何在现有技术中应用？
A2: 研究团队指出，只需通过设计激光束的初始偏振和相位结构，就能控制自旋的出现位置。这意味着未来可将这种效应集成到芯片级光学组件中，降低对大型透镜系统的依赖，使量子通信设备小型化成为可能。
结语
这项发表于2026年10月的研究揭示了一个长久被忽视的物理机制：光的内部几何结构本身就是一种可操控的“工具箱”。从更快的光通信到更精准的药物筛选，从微型化学传感器到抗噪量子系统，光的这种自旋隐藏特性为整个光学工程领域打开了新的设计维度。正如团队所言，光一直在用它自己的方式等待人类更深入的理解，而这次，物理学家终于找到了那把新钥匙。
