Objetos girando ou girando são comuns, de tops de brinquedo, fidget spinners, e patinadores artísticos para a água circulando em um ralo, tornados, e furacões.

Na física, existem dois tipos de movimento rotacional:spin e orbital. O movimento da Terra em nosso sistema solar ilustra isso; a rotação diária de 360 ​​graus da Terra em torno de seu próprio eixo é a rotação de rotação, enquanto a viagem anual da Terra ao redor do Sol é a rotação orbital.

A quantidade em física definida para descrever tal movimento é o momento angular (AM). AM é uma quantidade conservada:dada uma quantidade inicial dele, ele pode ser quebrado e redistribuído entre partículas como átomos e fótons, mas o AM total deve permanecer o mesmo. AM também é um vetor:é uma quantidade que tem uma direção, e essa direção é perpendicular ao plano em que ocorre a circulação rotacional.

Para partículas de luz em feixes de laser - fótons - esses dois tipos de AM estão presentes. Os fótons têm spin, mas não gire em seus próprios eixos; em vez de, o momento angular de rotação (SAM) vem da rotação do campo elétrico do fóton, e o SAM só pode apontar para frente ou para trás em relação à direção do feixe.

Os fótons em feixes de laser também podem ter momento angular orbital (OAM). O feixe de laser mais simples em que os fótons têm OAM é o feixe de rosca:se você direcionar esse feixe na parede, ele se parecerá com um donut brilhante ou anel com um centro escuro. O vetor OAM também aponta para frente ou para trás, e o OAM é o mesmo para todos os fótons do feixe.

Em artigo publicado na revista Optica , O professor Howard Milchberg da Universidade de Maryland e o grupo de pesquisa demonstram o resultado surpreendente de que os fótons no vácuo podem ter vetores OAM apontando para os lados, a 90 graus da direção de propagação - um resultado literalmente ortogonal à expectativa de décadas de que os vetores OAM só poderiam apontar para frente ou para trás.

A equipe de pesquisa, que, além de Milchberg, inclui o estudante de graduação e autor principal Scott Hancock e a pesquisadora de pós-doutorado Sina Zahedpour, fizeram isso gerando um pulso de donut que eles chamam de "donut voador de ponta" (seu nome mais técnico é vórtice óptico espaço-temporal, ou STOV). Aqui, o buraco do donut é orientado lateralmente, e porque a circulação rotacional agora ocorre em torno do anel, o vetor AM aponta em ângulos retos com o plano que contém o anel. Para provar que este OAM apontando para o lado está associado a fótons individuais e não apenas à forma geral do donut voador, a equipe enviou o pulso através de um cristal não linear para passar por um processo chamado geração de segundo harmônico, onde dois fótons vermelhos são convertidos em um único fóton azul com o dobro da frequência. Isso reduz o número de fótons por um fator de 2, o que significa que cada fóton azul deve ter duas vezes o OAM apontando para o lado - que é exatamente o que as medições da equipe mostraram. O AM do donut voador ou STOV é o efeito composto de um enxame de fótons dando cambalhotas em sincronia.

Existem inúmeras aplicações potenciais de STOVs. Por exemplo, a conservação AM incorporada por fótons cambaleantes pode tornar os feixes STOV resistentes à ruptura pela turbulência atmosférica, com potencial aplicação para comunicações ópticas em espaço livre. Além disso, porque os fótons STOV devem ocorrer em pulsos de luz, tais pulsos poderiam ser usados ​​para excitar dinamicamente uma ampla gama de materiais ou para sondá-los de maneiras que exploram o OAM e o buraco do donut.

"Os pulsos STOV podem desempenhar um grande papel na óptica não linear, "diz Milchberg, "onde os feixes podem controlar o material em que se propagam, permitindo novas aplicações em foco de feixe, direção, e comutação. "