Los investigadores de IMS y sus colaboradores han demostrado teórica y experimentalmente que un electrón de alta energía en movimiento circular / espiral irradia fotones de vórtice desde la longitud de onda de radio a los rayos gamma. Esto amplía enormemente los espectros de aplicación de los fotones de vórtice en el campo de la ciencia física. Es más, el hallazgo indica que los fotones de vórtice son omnipresentes en el universo. Abre el camino a un campo de investigación completamente nuevo:la ciencia de fotones de vórtice natural.

La luz a veces se llama onda electromagnética, en el que los campos eléctricos y magnéticos están oscilando y las oscilaciones se propagan en el espacio. Normalmente, la luz tiene un frente de onda plano. A diferencia de, un vórtice óptico posee un frente de onda helicoidal y transporta un momento angular orbital. La existencia de fotones tan peculiares se predijo teóricamente hace unos 25 años. Hoy dia, tales fotones se pueden producir fácilmente en laboratorios mediante el uso de dispositivos ópticos especiales, aunque las longitudes de onda son limitadas en las proximidades de la luz visible. Los investigadores están explorando sus aplicaciones en nanotecnología, tecnologías de la imagen y la información / comunicación. Por otra parte, no se ha encontrado un proceso elemental natural capaz de producir fotones de vórtice, aunque hay algunas propuestas teóricas de que los fotones normales pueden convertirse en fotones de vórtice en un campo gravitacional fuerte alrededor de un agujero negro en rotación o pasando a través de medios interestelares no homogéneos.

Hace unos 10 años, los investigadores predijeron teóricamente que un ondulador, un dispositivo ampliamente utilizado en fuentes de luz de sincrotrón modernas, podría ser capaz de producir fotones de vórtice en el rango de rayos X. Esto se confirmó experimentalmente varios años después en un sincrotrón alemán. Sin embargo, la mayoría de las características importantes de la generación de vórtices ópticos han quedado sin verificar. Los investigadores de IMS y sus compañeros de trabajo investigaron teóricamente este proceso y han demostrado que un electrón en movimiento circular o en espiral irradia fotones de vórtice. Este proceso es la base de varios procesos de radiación importantes en astrofísica y física del plasma, como la radiación ciclotrónica, radiación de sincrotrón y dispersión de Compton, y se ha descrito en muchos libros de texto o artículos de investigación. Sin embargo, no ha habido discusión sobre la naturaleza de vórtice de esta radiación. La longitud de onda de esta radiación se extiende desde la onda de radio hasta los rayos gamma, dependiendo de la condición física. Este nuevo hallazgo indica que los fotones de vórtice se producen en varias situaciones en el universo, en todo el rango de longitud de onda.

Es más, los investigadores de IMS y sus compañeros de trabajo lograron una observación experimental precisa de la radiación ondulante de una fuente de luz de sincrotrón, UVSOR-III, por primera vez (Figura). Observaron la luz ultravioleta emitida por un haz de electrones en movimiento en espiral, e indicó que existe una estructura especial llamada singularidad de fase en el centro del haz de fotones del ondulador. Es más, Se ha demostrado que los fotones de mayor energía tienen momentos angulares más grandes. Estas medidas definitivamente apoyan la predicción teórica.

El profesor Masahiro Katoh (IMS) dice:"Los fotones de vórtice deberían ser ubicuos en el universo. ¿Qué tipo de papel juegan en la naturaleza? Nuestro logro abre un campo de investigación totalmente nuevo".

La investigación se publica en Informes científicos .