华沙大学物理学院、军事技术大学以及克莱蒙费朗大学Institut Pascal CNRS的研究人员在微型结构中实现了一种被称为“光学龙卷风”的光场形态，即光波围绕轴线旋转、相位呈螺旋变化，且偏振方向也随之旋转。研究团队表示，这一方法为构建结构更复杂的微型光源提供了新路径，并有望用于更简单、可扩展的光子器件。相关研究已发表在《Science Advances》。

华沙大学物理学院研究组负责人Jacek Szczytko教授介绍，该方案融合量子力学、材料工程、光学与固态物理等多个领域，其思路借鉴了原子物理中电子占据不同能态的概念。在光子学体系中，类似作用由“光学阱”承担，用于限制光而非电子。

论文第一作者、华沙大学物理学院及纽约市立学院物理系的Marcin Muszyński博士表示，这种结构可视作一种光学涡旋：光场不仅在空间中呈旋转分布，其偏振（电场振荡方向）也出现旋转特征。

液晶材料构建光学阱

研究团队指出，生成此类光结构通常依赖复杂纳米结构或大型实验装置。为此，研究人员采用液晶材料作为核心介质。华沙大学物理学院纳米技术专业学生Joanna Mędrzycka介绍，液晶兼具液体与固体特性，能够流动，但分子排列保持有序取向与相对位置，类似晶体。她与军事技术大学的Eva Oton博士共同制备了实验所用液晶样品。

Toron缺陷与合成磁场

在液晶结构中，研究人员利用一种称为toron的缺陷作为微观光阱。Mędrzycka解释，toron可理解为液晶分子沿紧密扭曲的螺旋排列，形态类似DNA；若将螺旋两端连接形成环状结构，即构成toron。研究的关键在于为光子构造等效磁场环境：尽管光不会像电子那样直接响应磁场，但可通过其他机制实现类似效应。

华沙大学物理学院的Piotr Kapuściński博士表示，空间可变的双折射（不同偏振光传播差异）在该体系中起到“合成磁场”的作用。之所以称为“合成”，是因为其数学描述与磁场行为相似，但并不存在真实磁场；在这种条件下，光的传播会发生类似电子在回旋加速器轨道中运动的“弯曲”效应。

为增强作用，研究人员将toron置于由镜子构成的光学微腔中，使光在其中反复反射并被长时间限制。Muszyński称，这一设计显著增强了场强；同时，研究人员还可通过外加电压控制光阱尺寸，从而调节光的性质。

在基态实现旋转光场

克莱蒙费朗大学及CNRS的Guillaume Malpuech教授表示，在常见体系中，携带轨道角动量的光通常出现在激发态。该团队与Dmitry Solnyshkov教授及博士后Daniil Bobylev建立理论模型后，首次在基态（最低能量态）实现这一效应。研究人员指出，基态更稳定，也更容易积累能量。

Szczytko进一步表示，这一特性使激光发射更易实现，因为光会自然“选择”对应最低损耗的状态。

引入染料后获得激光特性

为验证激光发射，研究人员在系统中加入激光染料。Muszyński表示，获得的光不仅呈旋转特征，同时具备激光光的性质，包括相干性以及明确的能量与发射方向。

Solnyshkov补充称，该方法的灵感来自涉及“矢量电荷”的高级理论；在一定意义上，研究让光子表现出不仅类似电子、甚至类似构成质子的带电粒子——夸克——的某些行为特征。

军事技术大学的Wiktor Piecek教授总结称，这一结果显示无需依赖复杂纳米技术，也可借助自组织材料实现相关光子学功能；研究团队认为，未来或可用于更简单、可扩展的光子器件，应用方向包括光通信与量子技术。