Pesquisadores da IMS e seus colegas de trabalho mostraram teórica e experimentalmente que um elétron de alta energia em movimento circular / espiral irradia fótons de vórtice do comprimento de onda de rádio para os raios gama. Isso amplia muito os espectros de aplicação dos fótons de vórtice no campo da ciência física. Além disso, a descoberta indica que os fótons de vórtice são onipresentes no universo. Ele abre o caminho para um campo de pesquisa completamente novo:a ciência de fótons de vórtices naturais.

A luz às vezes é chamada de onda eletromagnética, em que os campos elétricos e magnéticos estão oscilando e as oscilações se propagam no espaço. Normalmente, a luz tem uma frente de onda plana. Em contraste, um vórtice óptico possui uma frente de onda helicoidal e carrega o momento angular orbital. A existência de tais fótons peculiares foi teoricamente prevista cerca de 25 anos atrás. Hoje, tais fótons podem ser facilmente produzidos em laboratórios usando dispositivos ópticos especiais, embora os comprimentos de onda sejam limitados na vizinhança da luz visível. Os pesquisadores estão explorando suas aplicações em nanotecnologia, imagens e tecnologias de informação / comunicação. Por outro lado, um processo elementar natural capaz de produzir fótons de vórtice não foi encontrado, embora existam algumas propostas teóricas de que fótons normais podem ser convertidos em fótons de vórtice em um forte campo gravitacional em torno de um buraco negro em rotação ou passando por meios interestelares não homogêneos.

Cerca de 10 anos atrás, pesquisadores teoricamente previram que um ondulador, um dispositivo amplamente utilizado em fontes de luz síncrotron modernas, poderia ser capaz de produzir fótons de vórtice na faixa dos raios-X. Isso foi confirmado experimentalmente vários anos depois em um síncrotron alemão. Contudo, a maioria das características significativas da geração de vórtice óptico permaneceu sem verificação. Pesquisadores do IMS e seus colegas de trabalho investigaram teoricamente esse processo e mostraram que um elétron em movimento circular ou espiral irradia fótons de vórtice. Este processo é a base de vários processos de radiação importantes em astrofísica e física de plasma, como radiação de ciclotron, radiação síncrotron e espalhamento Compton, e foi descrito em muitos livros ou artigos de pesquisa. Contudo, não houve discussão sobre a natureza do vórtice dessa radiação. O comprimento de onda desta radiação se estende desde ondas de rádio até raios gama, dependendo da condição física. Esta nova descoberta indica que os fótons de vórtice são produzidos em várias situações no universo, em toda a faixa de comprimento de onda.

Além disso, os pesquisadores da IMS e seus colegas de trabalho tiveram sucesso em uma observação experimental precisa da radiação do ondulador de uma fonte de luz síncrotron, UVSOR-III, pela primeira vez (Figura). Eles observaram a luz ultravioleta emitida por um feixe de elétrons em movimento espiral, e indicou que uma estrutura especial chamada singularidade de fase existe no centro do feixe de fótons do ondulador. Além disso, Foi demonstrado que fótons de energia mais alta carregam momentos angulares maiores. Essas medições definitivamente apóiam a previsão teórica.

O professor Masahiro Katoh (IMS) diz:"Fótons de vórtice devem ser onipresentes no universo. Que tipo de papel eles desempenham na natureza? Nossa conquista abre um campo de pesquisa totalmente novo."

A pesquisa é publicada em Relatórios Científicos .